机器学习+900 ℃热力耦合+能源经济，突破钠离子电池硬碳负极性能和成本瓶颈 ——天津大学何春年/杨雨廷/陈彪 Nat. Commun.

【导读】

钠离子电池因资源可获得性和成本潜力，在大规模储能领域受到广泛关注。硬炭作为重要负极候选材料，其性能并非简单取决于“缺陷越多越好”或“碳层越有序越好”：较为有序的碳层与闭孔可以提供低电位可逆储钠空间，但过度堆叠会使钠离子迁移受阻；适当增加层间距和缺陷有助于提升扩散动力学，却可能伴随比表面积增大、界面副反应增强以及首次库仑效率下降。

因此，硬炭设计长期面临一个关键科学问题：如何在可逆储钠位点与钠离子快速扩散之间实现协同优化？另一方面，传统硬炭通常需要1200～1800 ℃高温碳化才能获得较充分的结构演化，高温所带来的能耗与碳排放也对可持续制造提出挑战。相比继续提高碳化温度，能否引入新的外场调控维度，在较低温度下获得适宜的碳层、孔结构和缺陷分布，并进一步降低能耗和成本，成为值得探索的新路径。

【成果掠影】

近日，天津大学材料学院纳米及复合材料团队何春年教授、陈彪教授和能源学院杨雨廷教授合作在Nature Communications发表论文“900°C thermal-force coupling carbonization tailoring hard carbon microstructures enables high performance sodium-ion pouch batteries”。研究将可解释机器学习与热–力耦合碳化相结合，提出“数据识别目标结构—压力辅助低温构筑—储钠机制解析—软包器件验证—能源经济分析”的研究路线。

团队基于245篇硬炭储钠相关文献，整理出565组样本和约7600条数据，确定兼顾高首次库仑效率与高可逆平台容量的微观结构协同区间；随后在900 ℃、10 MPa条件下制备出HC-10-900硬炭，其层间距d₀₀₂为0.384 nm、I_D/I_G为1.33、比表面积为2.28 m² g^-1。基于该材料组装的Ah级钠离子软包电池，在1.5～4.3 V电压窗口下实现208.1 Wh kg^-1的整电池质量比能量，经过1000次循环仍保持96.1%的容量。经能源经济分析，与1300 ℃的对照碳化工艺相比，实验室规模核算中的能耗和碳排放分别降低49.7%与47.5%。

【核心创新点】

创新点1｜以结构参数协同区间替代单一结构指标优化。利用机器学习与SHAP解释分析，从碳层间距、缺陷程度、比表面积等耦合变量中识别适宜窗口，将经验性的“结构—性能”判断转化为可用于实验验证的参数范围。

创新点2｜引入压力作为低温碳化的独立调控维度。通过热–力耦合促进碳骨架重排和碳层适度有序堆叠，在900 ℃下获得目标微观结构，而非单纯依靠提高温度驱动结构演化。

创新点3｜贯通机制、器件与可持续性评估。结合分子动力学、原位拉曼、动力学测试和闭孔结构表征，分析不同结构的储钠差异，并进一步开展Ah级软包电池测试和实验室规模成本、碳排放比较。

【数据概览】

1. 机器学习确定高性能硬炭的结构协同窗口

研究首先构建“制备参数—微观结构—电化学性能”数据库，综合分析碳化温度、碳层间距d₀₀₂、Iᴅ/Iɢ、比表面积SSA等因素与首次库仑效率和可逆平台容量之间的非线性关系。通过随机森林回归与SHAP可解释分析发现，低比表面积对于抑制不可逆界面反应尤为重要，而适当的层间距与缺陷含量则有助于兼顾可逆储钠及离子传输。机器学习识别的高性能结构窗口为：d₀₀₂ = 0.376～0.394 nm，I_D/I_G = 1.10～2.30，SSA = 0.26～17.84 m² g^-1。该结果强调了多参数协同，而不是追求某一个结构指标的极大值或极小值。

图1｜机器学习引导的硬炭结构设计。a，数据集构建与研究流程；b–c，不同特征对首次库仑效率和平台容量的影响；d，高性能结构参数协同区间；e，传统高温热驱动路径的局限。

2. 900 ℃热–力耦合：压力如何改变硬炭的结构演化？

研究采用葡萄糖预碳化产物作为前驱体，在900 ℃下施加10 MPa压力，实现热场与力场共同作用。与900 ℃常压样品HC-0-900相比，HC-10-900的碳层间距由0.414 nm调节至0.384 nm，I_D/I_G由1.72下降至1.33，比表面积由436.5 m² g^-1大幅降低至2.28 m² g^-1，表明压力促进了无序碳结构重排、碳层堆叠和表面致密化。

近边X射线吸收精细结构谱、HRTEM和ReaxFF分子动力学模拟共同支持压力促进局域芳香碳结构发展及短碳片段交联的机制判断。不过，压力并非越大越好：过高压力可能使碳层过度堆叠、削弱储钠位点和传输通道。因此，10 MPa所获得的适度有序结构，恰好与机器学习给出的结构窗口相契合；这一效果在900 ℃下实现，相比1300 ℃对照温度降低了400 ℃。

图2｜低温热–力耦合制备与结构表征。a，三种碳化路径对比；b–c，芳香碳结构变化；d–f，HRTEM微观结构；g–j，分子动力学结果；k，结构窗口比较；l，热驱动与热–力驱动制备路径。

3. 从硬炭半电池到Ah级软包电池：低温制备兼顾高比能与长寿命

电化学测试表明，优化后的HC-10-900在25 mA g^-1下表现出376.6/329.3 mAh g⁻¹的首次放电/充电容量，首次库仑效率为87.4%，可逆平台容量为159.4 mAh g^-1。在5 A g⁻¹电流密度下仍可提供143.5 mAh g^-1的充电容量；在2 A g^-1下循环6000次后保持198.7 mAh g^-1，容量保持率为87.7%。这些结果表明，适宜的碳层堆叠与闭孔结构能够在提供储钠空间的同时维持较好的动力学性能。

进一步采用HC-10-900负极与NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂正极组装Ah级钠离子软包电池。在1.5～4.3 V窗口下，软包电池获得208.1 Wh kg^-1的比能量，计算基准为整个电池质量；在1.5～3.95 V窗口下，比能量为166.4 Wh kg^-1，并经过1000次循环，容量保持率达96.1%。

图3｜HC-10-900的电化学性能。a–c，半电池容量、倍率和综合可逆性评价；d–f，Ah级软包电池充放电与比能量比较；g，软包电池1000次循环稳定性。

4. 储钠机制：表面吸附、碳层嵌入与闭孔填充的协同

为阐明结构变化如何影响储钠过程，研究利用GITT、原位拉曼以及孔结构相关表征比较低压、适度压力和高压制备的硬炭。HC-0-900比表面积高、缺陷丰富，虽然具有一定的快速吸附特征，但可逆储钠位点有限；HC-100-900因结构过度有序、层间距和缺陷减少，钠离子扩散与闭孔填充受到限制。相比之下，HC-10-900能够保留适宜的碳层间距与内部缺陷，并形成有利于钠储存的闭孔空间。

原位拉曼结果显示，HC-10-900在较高电位区间主要发生表面/缺陷吸附；进入低电位平台后，G峰移动与碳层嵌入过程相吻合，而进一步降低电位时的谱学行为及相关散射、显微证据支持闭孔填充和拟金属态钠簇形成。GITT估算的平均钠离子扩散系数对比也显示HC-10-900具有更有利的离子传输动力学。整体上，性能提升来自储钠空间、活性位点和扩散通道的协同，而不是单一的“增加闭孔数量”。

图4｜不同压力下硬炭的储钠动力学与机制。各行分别对应HC-0-900、HC-10-900和HC-100-900；依次展示扩散系数、原位拉曼、储钠过程示意及结构—动力学关系。

5. 低温制备的现实意义：能耗、排放与成本的边界化比较

本文对不同碳化路线开展了实验室规模的能耗、成本和碳排放评估。在论文采用的相同原料与核算条件下，与1300℃传统高温碳化路线相比，900℃热力耦合工艺的制备能耗由214.2 kWh降至107.8 kWh，减少49.7%；所评估的碳排放由98.87 g降至51.94 g，降低47.5%。研究同时考虑原料、设备、电力及相关成本，表明该策略具有进一步提升制备经济性与环境效益的潜力。能源经济分析结果为后续的潜在产业应用奠定了坚实的基础。

图5｜实验室规模制备、成本与碳排放评估。a，不同碳化路径的工艺与核算数据；b，成本构成；c，按模型估算的电池累计供能归一化的成本比较；d，综合性能雷达图。

【总结】

本文通过机器学习设计范式和低温热力耦合碳化策略，在900°C低温下施加10 MPa压力，即可调控出具有最优协同微结构（适中d₀₀₂、适中I_D/I_G、低SSA）的硬炭（HC-10-900）。该材料兼具丰富的钠储存位点和快速的Na⁺扩散动力学，使得基于该材料的安时级钠离子软包电池实现了高达208.1 Wh kg⁻¹的比能量和1000次循环后96.1%的高容量保持率。同时，该技术将碳化温度从传统的1300°C降至900°C，实现了49.7%的能耗降低和47.5%的碳排放降低，为开发高性能、可持续的钠离子电池提供了一条切实可行的路径。相关技术已申请专利，如有需要可联系合作转化。

【论文信息】

论文题目：900°C thermal-force coupling carbonization tailoring hard carbon microstructures enables high performance sodium-ion pouch batteries

发表期刊：Nat Commun 17, 10620 (2026)

第一作者：Zongfu Sun（孙宗富）

通讯作者：Yuting Yang（杨雨廷）、Biao Chen（陈彪）、Chunnian He（何春年）

论文 DOI：10.1038/s41467-026-77440-0

原文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-026-77440-0

何春年教授（通讯作者），天津大学讲席教授，材料学院院长，博导，国家杰青，天津大学材料学院学术委员会主任，校学术委员会委员，贵金属功能材料全国重点实验室（天津）主任，天津市杰出人才。长期从事高强耐热与高强高导金属基复合材料及新型能源材料的设计制备与应用研究，主持国家重点研发计划项目、国自然重点基金等项目10余项，以第一或通讯作者在Nat. Mater（2篇）., Nat. Energy., Prog. Mater. Sci., Nat. Commun., Adv. Mater., Acta Mater.等国际期刊发表论文150余篇，他引16000余次，单篇最高他引900余次，出版专著2部，获授权发明专利20余项，获天津市自然科学一等奖2项，多项成果正在产业化。

杨雨廷教授（通讯作者）：天津大学能源学院菁英教授、国家级青年人才。2012年获浙江大学国际经济与贸易学士学位，2014年获美国范德堡大学发展经济学硕士学位，2020年获法国图卢兹经济学院博士学位。2021年8月至2026年8月任美国新墨西哥大学经济系助理教授，2026年8月起任天津大学能源学院教授。长期从事能源经济学、环境经济学与政策研究，研究方向涵盖能源转型与环境规制、可再生能源并网与电力市场、气候政策与碳预算、居民能源消费与电气化等。在 Nature Energy、Nature Communications、Nature Reviews Clean Technology, Journal of Environmental Economics and Management、Energy Economics等期刊发表论文多篇。

陈彪教授（通讯作者）：天津大学材料学院教授，博导，在赵乃勤、何春年和何芳教授领衔的纳米及复合材料团队。天津大学获得本硕博，导师为赵乃勤教授，合作导师为乔世璋院士，博士后合作导师为成会明院士和周光敏副教授。主要从事退役电池再生循环（元素提取为原子分散金属催化剂、电极材料修复和电池器件修复）研究，担任Journal of Materials Science期刊副主编，主持了中国科协青年托举人才项目、国家自然科学基金等纵向项目和中广核等企业委托项目。以第一作者和通讯作者身份在Prog. Mater. Sci., Chem. Soc. Rev., Nat. Commun., PNAS., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater (6篇)., Angew. Chem. Int. Ed (7篇)., Environ. Energy. Sci（2篇）.,等国际知名期刊发表SCI论文四十余篇，总被引次数8000余次，H-index为52。荣获天津市自然科学一等奖（6/10）、天津市优秀博士学位论文。