突破性儲能新結構：錐形與碟形碳材改寫鈉離子電池未來

隨著電動車與再生能源儲存需求激增，全球正迫切尋找更經濟永續的電池技術。最新研究發現，一種創新的碳材結構可能徹底改變電化學儲能領域。這項突破性成果已發表於《先進功能材料》期刊。

由萊斯大學材料科學與奈米工程系主導，聯合貝勒大學及印度科學教育研究院的研究團隊，巧妙利用石油產業副產品，開發出純石墨結構的微型錐形與碟形碳材。這些特殊形態的碳材料，透過碳氫化合物的高溫裂解製成，有望解決電池陽極研究的長期難題——如何用鈉、鉀等廉價易取元素替代鋰進行能量儲存。

「鈉和鉀作為鋰的替代品已討論多年」，通訊作者、萊斯大學工程學教授Pulickel Ajayan指出：「關鍵在於找到能有效儲存這些較大離子的碳基陽極材料。」

傳統鋰電池使用石墨作為陽極，但同樣結構卻無法適用於鈉或鉀離子。這些原子體積過大，難以在石墨緊密層間穿梭。研究團隊另闢蹊徑，從微觀形狀著手突破限制。錐形與碟形結構的自然曲率與間距，無需化學摻雜或人工改質，就能容納鈉鉀離子。

「這些純石墨結構的表現令人驚艷」，第一作者Atin Pramanik博士表示：「即使不含雜原子，仍能實現鈉離子的可逆嵌入，且結構應變極小。」實驗資料顯示，這些碳材在鈉離子系統中展現230mAh/g的儲電容量，經過2000次快充迴圈仍保持151mAh/g。

透過冷凍穿透式電子顯微鏡等尖端技術，研究團隊確認離子能順利進出碳結構，且材料在數千次充放電後仍維持形貌。「這是首次明確證實純石墨材料能穩定進行鈉離子嵌入」，Pramanik強調：「打破了『純石墨不適用於鈉電池』的傳統認知。」

此發現影響深遠，不僅為低成本鈉電池鋪路，更能降低對鋰礦的依賴。由於原料取自石化副產品，更開創了永續的陽極生產途徑。有別於主流研究聚焦硬碳或摻雜材料，這項成果標誌著策略轉向——以形貌設計取代化學改質。

「我們正開拓電池陽極的全新設計維度」，Ajayan教授總結：「改變形狀而非化學組成，同樣能創造驚人成果。」Pramanik補充道：「這不只是更好的電池材料，更是邁向潔淨、平價且普及化儲能系統的實際路徑。」

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