摘要：硬碳通常通过热固性塑料或生物质的碳化获得，具有无序的微观结构和丰富的纳米孔，展现出超过300 mAh/g的高比容量。然而，硬碳在低电位下（

硬碳通常通过热固性塑料或生物质的碳化获得，具有无序的微观结构和丰富的纳米孔，展现出超过300 mAh/g的高比容量。然而，硬碳在低电位下（

另一方面，软碳通过低温碳化热塑性材料和石墨化有机物（如沥青）获得，展现出良好的倍率性能和安全性，但比容量较低（

在此，华中科技大学姚永刚、黄云辉，武汉大学方永进，浙江大学朱书泽等人提出了一种动力学解耦碳化策略，专门用于钠离子电池的碳负极。该过程包括700°C下的热解（1小时）和快速高温加热（1950°C，22秒），可高效去除杂质，实现快速碳结晶，同时最大限度减少石墨化，并将能量消耗降低约80%。硕士生程志恒和博士后张豪为论文共同第一作者。

所得扩展碳（EC）展现出更大的晶粒尺寸和扩展的层间距，从而实现了更高的容量、优异的倍率性能以及超过6000次循环的长循环稳定性。机理研究表明，EC在2-0.01V的宽插层电位范围内无钠聚集现象，支持扩展层和易插层，从而实现高容量、快速充电和稳健的稳定性。

图1. SC、HC和EC的电化学性能

总之，该工作通过动力学解耦碳化策略，成功开发出具有扩展层间距、更大晶粒尺寸和高sp²碳比例的扩展碳（EC）。该策略通过理论计算和机器学习辅助优化，实现了对碳负极材料微观结构的精确调控。作者特别设计了低温热解与快速高温加热相结合的工艺，以精细调控杂质去除、诱导晶粒生长并避免层间距收缩，同时显著降低能量消耗。在机器学习的指导下，快速全局优化得以实现，这对于筛选具有理想电化学性能的碳材料起到了关键作用。

基于此，扩展碳（EC）负极展现出高容量（0.2 C倍率下为310.6 mAh/g）、卓越的倍率性能（10 C倍率下为234.8 mAh/g）和长期循环稳定性（在10 C倍率下超过6000次循环），显著优于当前的硬碳和软碳负极材料。电化学测试和原位表征（XRD和ssNMR）揭示了EC在2到0.01 V的宽电位范围内实现钠离子插层而无钠金属聚集的现象，这归因于其扩展的层间距，使得钠离子能够轻松插层，从而实现快速充电和长循环寿命。

因此，该工作提出的动力学解耦碳化策略为设计、合成和筛选具有理想微观结构的碳负极材料提供了一种精确、可编程且节能的途径。

图2. 动力学解耦碳化的规模化生产前景

Interlayer-expanded carbon anodes with exceptional rates and long-term cycling via kinetically decoupled carbonization, Joule 2025 DOI: 10.1016/j.joule.2024.101812

姚永刚，华中科技大学教授，国家四青人才，九三学社社员。师从美国马里兰大学胡良兵教授，并向多名国内外学者学习合作。长期从事瞬态高温合成研究，特别是新型能源材料的设计与低碳制造过程开发，助力国家能源转型及碳中和战略。成果在Science、Nature、Nat. Nano.、Nat. Cata.等期刊发表，论文总被引用10000余次，入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”及科睿唯安“高被引科学家”榜单，并获得美国“2020 R&D 100 award”，2022 Metals Young Investigator Award，2022届阿里达摩院“青橙奖”（化学材料类）及《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”中国区先锋者称号。

来源：华算科技