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（<0.1 V）的钠离子嵌入和孔隙填充虽然贡献了主要容量，但也引发了钠枝晶生长和电解液分解等严重的安全问题，并限制了其倍率性能。
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（<200 mAh/g）。因此，当前碳负极材料在同时实现高比容量、优异倍率性能和高安全性方面仍面临巨大挑战。
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