【炭宝说】硬炭和软炭

炭材料作为电化学嵌钠宿主材料一直是钠离子电池负极材料研究的重点。从炭材料的结构上来看，碳原子有sp，sp²和sp³三种杂化类型。sp²碳作为最常见的杂化类型可分为石墨炭和非石墨炭，这两种炭因其天然丰度、多变的微观结构和表面化学而有望用于储能应用。

按照石墨化难易程度，可以将非石墨炭材料划分为硬炭和软炭。软炭和硬炭都不具有长程有序的周期性结构，sp²和sp³杂化共存于炭材料的结构中。软炭通常是指经过高温处理（2800℃以上）可以石墨化的炭材料，无序结构很容易重排形成石墨片层，亦称易石墨化炭。硬炭通常是指经过高温处理（2800℃以上）也难以完全石墨化的炭，在高温下其无序结构难以重排形成石墨片层，亦称难石墨化炭。在中低温（1000-1600℃）处理下，软炭和硬炭在结构上没有明显的界限，可以将其统一称为无定形炭。

通常，硬炭是热固性前体在惰性气氛下热解炭化制备，包括基于树脂的前驱体（例如，酚醛树脂，环氧树脂），聚合物基（例如聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮），生物质基（例如纤维素、木质素），和基于碳水化合物（例如蔗糖、葡萄糖）的前驱体。在热解过程中，这些前体倾向于形成刚性的交联微观结构，抑制平行炭层的生长。因此，硬炭具有涡轮层和无序结构。而软炭可以由热塑型前驱体煅烧制备，包括石油化工原料及其下游产品，如煤、沥青、石油焦等。软炭的晶体结构类似石墨，但石墨微晶层有序程度较低，存在少量褶皱和层错结构，呈现出短程有序-长程无序的堆积特点。在热解过程中，软炭的微晶层具有一定的层间滑移能力，容易形成结晶性的石墨。

硬炭和软炭是两种常见的炭素形态，它们具有不同的应用和特点。硬炭具有高密度、高硬度和高抗腐蚀性等特点，主要应用于电极材料、催化剂载体、生物传感器等领域；而软炭具有低密度、低硬度和高导电性等特点，主要应用于电池材料、电极材料、防静电材料等领域。

储能技术的未来取决于先进材料的开发和利用，而硬炭和软炭在这一领域具有举足轻重的地位。随着我们迈向更具可持续性和电气化的未来，了解这些炭变体的独特特性和应用将有助于开发下一代电池和储能系统。

总之，硬炭和软炭的不同特性和应用使它们在寻求更高效、更可持续的储能解决方案中扮演着重要角色。随着该领域研究的不断发展，我们可以期待这些炭材料发挥越来越重要的作用。

图 炭键杂化类型及硬炭结构模型^[1]

参考文献：

[1]Chu, Y., Zhang, J., Zhang, Y., Li, Q., Jia, Y., Dong, X., Xiao, J., Tao, Y., Yang, Q.-H., Reconfiguring Hard Carbons with Emerging Sodium-Ion Batteries: A Perspective. Adv. Mater. 2023, 35.