1. 背景硬碳是钠离子电池最具产业化前景的负极材料之一其性能高度依赖缺陷、层间距、微晶尺寸和孔结构的协同调控。传统高温碳化通常需要超过 1300 °C 才能降低缺陷并促进闭孔形成但过高温度又容易引发过度石墨化、层间距收缩、孔结构塌陷和能耗上升而中温碳化虽然更经济却常难以同时获得高闭孔含量、高平台容量和高初始库仑效率。因此如何在较低温度下构建有利于钠存储的闭孔结构同时避免过度有序堆叠是硬碳负极走向低成本规模化制备的关键科学问题。2. 论文概要本研究中华东理工大学潘伟童、陈雪莉团队以预碳化椰壳炭为前驱体对比闪蒸焦耳热FJH与传统管式炉TFH在 1000 °C 下制备硬碳的结构与电化学差异。研究发现FJH 的超快升温速率4500 °C min-1和短时保温可诱导非平衡碳化一方面抑制碳层沿 c 轴的纵向有序堆叠保留较大层间距和较高无序度另一方面促进微晶沿 a 轴横向长大形成连续碳骨架并作为闭孔壁同时挥发分的剧烈释放与再沉积推动开孔向闭孔转化。最优 CSC-FJH-1000 的比表面积仅 20.42 m2 g-1闭孔表面积达 267.51 m2 g-1在钠离子半电池中实现 295.65 mAh g-1 可逆容量、87.54% 首效和 201 mAh g-1 低电压平台容量显著优于同温管式炉样品。3. 图文解读图 1 | FJH 打破“微晶长大石墨化增强”的传统耦合图 1 从 TEM、XRD、Raman 和 XPS 证明 FJH 样品具有更独特的碳微结构CSC-FJH-1000 出现更明显的闭孔和更长的碳微晶d002 增大至 3.983 ÅLa 提升至 1.594 nm但 R 值和 sp2 碳比例并未同步升高说明超快热冲击促进横向微晶合并却限制纵向有序堆叠。这一结构状态为闭孔壁形成和钠离子低电位存储提供了基础。图 2 | 低开孔表面积与高闭孔含量同步实现图 2 显示两种工艺在孔结构上差异显著管式炉样品具有大量可被氮气探测到的微孔比表面积高达 245.74 m2 g-1FJH 样品的氮吸附量和微孔体积大幅降低比表面积降至 20.42 m2 g-1。同时 SAXS 与氦气密度结果表明CSC-FJH-1000 的闭孔表面积和闭孔体积显著增加说明超快升温不是简单烧结致密化而是将开放孔道有效转化为封闭储钠空间。图 3 | FJH 与 TFH 的孔结构演化机制对比图 3 概括了两种热处理路径的本质差别TFH 的缓慢升温使挥发分逐步释放容易保留开放微孔网络并在 1000 °C 下难以实现充分结构重排FJH 则在极短时间内触发剧烈挥发、快速芳构化和骨架重构初始微孔发生并合、塌缩或封闭横向长大的碳层进一步弯曲、折叠和交联最终形成高闭孔、低比表面积的非平衡硬碳结构。图 4 | 高首效、高平台容量与长循环稳定性来自结构协同图 4 对比了两种硬碳的钠存储表现CSC-TFH-1000 首圈不可逆反应明显首效仅 52.83%可逆容量为 154.35 mAh g-1CSC-FJH-1000 则因开放表面积低、SEI 副反应受抑首效提升至 87.54%可逆容量接近 296 mAh g-1。更关键的是其低电压平台容量从 69 mAh g-1 增至 201 mAh g-1并在 100 圈后保持 83.39% 容量说明闭孔填充对提升能量密度和循环稳定性贡献突出。图 5 | 700-1000 °C 温度序列揭示闭孔形成阈值图 5 系统展示 FJH 温度升高带来的结构演化从 700 °C 到 1000 °C碳层间距逐步减小La、Lc 和 R 值增加sp2 碳比例提升表明碳骨架逐渐有序化同时 BET 比表面积下降、SAXS 平台增强、闭孔体积单调增加证明开放孔持续向闭孔转化。电化学上800 °C 是明显转折点平台容量由 96 mAh g-1 跃升至 148 mAh g-1随后随闭孔含量增加进一步提升至 201 mAh g-1。图 6 | 动力学证明 FJH 样品更偏向高能量密度储钠机制图 6 通过多扫描速率 CV、赝电容贡献、EIS 和 GITT 分析钠离子动力学。低电压 P 峰的 b 值接近 0.5说明平台区主要受扩散控制与嵌层和闭孔填充相关斜坡区 S 峰 b 值接近 1体现表面电容行为。CSC-TFH-1000 的电容贡献更高因此在极高倍率下更有优势CSC-FJH-1000 则具有更低界面阻抗和更高平台容量贡献适合追求高能量密度、长寿命和中等倍率的储能场景。4. 总结展望这项工作的重要价值在于把 FJH 从“快速高温碳化工具”推进为“非平衡微结构调控方法”在 1000 °C 中温条件下它通过超快热冲击实现横向微晶生长、纵向有序堆叠受限、开放孔封闭和比表面积降低的协同从而同时提升硬碳负极的可逆容量、首效、平台容量和循环稳定性。面向产业化该路线具有缩短热处理时间和降低能耗的潜力尤其适合椰壳炭等生物质硬碳前驱体后续仍需进一步验证连续化 FJH 装备放大、批次均一性、全电池匹配、电极压实密度和长期安全边界但其为中温、低能耗制备高性能钠离子电池硬碳负极提供了清晰可行的新方向。参考论文Wangui Chen, Weitong Pan, Lili Zhao, Longfei Tang, Xueli Chen, Fuchen Wang. Ultrafast heating enables moderate temperature synthesis of hard carbon with tailored microstructure for high-performance sodium-ion batteries. Chemical Engineering Science, Volume 334, 2026, 124383, ISSN 0009-2509,https://doi.org/10.1016/j.ces.2026.124383.
