硬碳材料性能仍存在一定短板，材料改性技术有望加速行业发展。
现存问题：硬碳负极具有原材料来源广泛、价格低廉、储钠容量高、嵌钠后体积 形变小、导电性良好和低氧化还原电位等优点，但是其也存在明显的缺点如低的首 次库伦效率、循环寿命和结构一致性问题，尤其是低的首次库伦效率是制约硬碳负 极能量密度提升的首要问题。
硬碳负极首次库伦效率较低，降低钠电池整体能量密度。硬碳材料比容量较高， 大多能超过 300mAh/g，一些甚至能超过 400mAh/g，性能优于商用锂离子电池石墨 负极。但是，目前记载的硬碳负极首次库伦效率通常较低, 在酯基电解液中大多在 50%～80%, 仅有少数条件下能超过 80%。在醚基电解液中，虽然首次库伦效率有 所提升，能保持 80%～90%，但是相较于商用化锂离子电池石墨负极首次库伦效率 （通常超过 95%）仍有差距，具备进一步提升的空间。
硬碳负极循环稳定性较低，是电池容量衰减的主要原因。钠电池主要由正/负极、 有机电解液与隔膜和电池外壳构成，虽然其形状各不相同，但其工作原理基本一致， 主要依靠钠离子在正、负极之间移动来工作。在充电时，钠离子从正极迁出，通过电 解液到达负极并嵌入负极材料中，同时伴随着等当量电子从负极迁往正极。放电过 程与充电过程相反，钠离子从负极脱嵌，经过电解液回到正极材料中，同时伴随着 等当量电子从正极迁往负极。在首次充放电过程中，进入负极的钠离子会在负极表 面形成一层 SEI 膜，从而退出后续的充放电过程；同时，部分进入负极的钠离子会 永久镶嵌在负极材料中无法脱嵌。以上两种因素均会造成钠离子容量衰减，首次充 放电过程中钠离子容量衰减越少，电池首次充电效率越高，电池寿命越长。在钠离 子电池中，由于硬碳电极表面的钝化不够充分，造成硬碳表面形成的 SEI 膜大部分 会发生溶解, 进而造成活性钠离子的严重衰减，因此硬碳负极材料的循环稳定性较 低，这也是电池容量衰减的主要原因。
硬碳负极存在一致性和成本匹配的问题。电极材料结构一致性是保障电池系统 循环寿命和安全性的基础，负极材料作为钠电池的关键材料之一，必须保证其具备 较高一致性。硬碳材料的结构一致性主要依赖于前驱体的状态和碳化工艺，只有保 障前驱体具有高度一致性, 碳化过程中受热均匀才能得到一致性高的硬碳材料。实 验表明，当使用有机高分子聚合物作为硬碳的碳源时, 通过特定的合成方法能够获 得具有特殊形貌的硬碳材料, 能够避免杂质, 保障结构的一致性。但是，由于该工艺 复杂程度较高，将极大增加制造成本，推广难度较大。如果使用生物质前驱体作为 硬碳材料的碳源，原材料和制造成本能得到显著降低。然而，生物质前驱体往往含 有较多的杂质原子且分布不均, 而且不同产地、不同批次的生物质并不具有一致性, 这导致在碳源的选择上很难选择用某种生物质前驱体直接碳化的方式来实现高品质 硬碳的大规模制备。因此，如何平衡成本和硬碳的结构一致性问题，是硬碳材料发 展必须攻克的难题。
解决方法：对于硬碳负极材料低的首次库伦效率、循环寿命和结构一致性等问题，目前主要是依靠预钠化、结构调控、界面构造等手段来解决，具体如下： （1）负极材料预钠化。预钠化是指在电池充放电之前，在电极材料中添加少许 钠源，用来弥补电池材料在充放电过程中消耗的钠离子，电极材料预钠化能显著降 低电池充放电过程中不可逆活性钠损失，提升电池的首次充放电效率，进而提高电 池能量密度与循环寿命。预钠化是一种能有效提升电极材料首次库伦效率的手段, 因此开发简单且安全、低成本和适合大规模应用的预钠化方法至关重要。
（2）负极材料结构调控。硬碳的微观结构将直接影响储钠能力，首次库伦效率 和循环稳定性。调控硬碳微观结构的主要思路有两种，一是调控碳化过程，包括碳 化温度、变温速率、碳化方式等。通常认为碳化温度升高，变温速率减慢，可以给碳 层重排提供足够的能量和时间, 有利于增加硬碳结构的有序性, 减少孔隙和缺陷, 这有利于提升首次库伦效率和循环稳定性。二是通过引入一种或多种杂原子(N、O、 P、S、Li、Na、K、Ca 等)来引起微观结构的改变。通常引入阴离子(N、F、P、S 等) 可以有效的改变材料的层间距、表面润湿性、电子导电性，从而达到改善储钠性能 的目的。
（3）负极材料界面构造。硬碳材料与电解液发生的界面反应是影响钠离子电池 性能的一大关键因素，这主要是通过影响 SEI 膜的厚度和稳定性以及界面阻抗等因 素来对首次库伦效率和循环稳定性产生影响，通常可采用表面包覆、氧化物覆盖缺 陷等方式来提升钠离子电池的性能。同时，除了对硬碳材料进行改造之外，还能通 过改变电解液体系的方式来优化界面效应。实验证明，醚类电解液与生物质的硬碳 匹配程度远高于酯类电解液，在醚类电解液中硬碳负极展现出了远高于在酯类电解 液中的首次库伦效率、平台容量和倍率性能。
（4）选用合适的前驱体材料作为碳源。硬碳材料存在平衡成本和硬碳结构一致 性的问题，实验证明，生物质衍生物, 例如纤维素、木质素、蔗糖和葡萄糖等, 具有 较低的成本且不含有杂质等优点, 可以平衡成本和硬碳结构一致性的问题, 比较适 合大规模生产高品质硬碳。
