硬碳负极由于具有低成本和高理论容量的优势，吸引了许多研究者们的关注。然而，由于硬碳无序的微观结构，导致其导电性和循环稳定性较差。为了解决这些问题，研究者们试图在硬碳中构建更加有序的石墨烯形貌或引入石墨化结构，但产物仍残留有硬碳固有的无序结构。
近日，中国科大俞书宏等提出了一种提高硬碳电化学性能的普适方法。通过在酚醛树脂溶胶的制备过程中加入Fe3+离子，利用Fe3+与酚羟基的鳌合作用催化sp3C转化为sp2C，在硬碳中引入有序膨胀纳米石墨和碳微孔，形成一种富H的扩张石墨层状电极。这种螯合作用能促使Fe在前驱体的聚合物链段中均匀分布，热处理后Fe纳米颗粒嵌在膨胀纳米石墨中，形成一种有序的、洋葱状的结构。
图1 mPFR-HCA的制备流程
根据“卡片屋”模型，酚醛树脂热解碳中随机堆叠的石墨烯片层，是由芳香结构中的sp2C和边缘处的sp3C构成，一些sp3C与H相连，另一些sp3C形成桥键连接相邻的石墨烯片层。当存在Fe3+离子时，强烈的螯合作用促使Fe3+离子与sp3C结合，破坏了石墨烯片层间的化学键而生成Fe3C，这些Fe3C分子移动、聚集并在sp2C上分解，促使无序的石墨烯片层重排。由于Fe3C的尺寸（~0.45nm）远大于石墨（002）层的层间距（0.34nm），因此形成了大量膨胀纳米石墨和碳微孔。
图2 膨胀纳米石墨和碳微孔的形成机理
随后研究者对所制得的材料进行了一系列结构和电化学性能表征，该材料用作锂电负极具有较高的首圈库伦效率（60.2%），在循环200圈后仍具有1180 mA·h g-1的比容量，平均每圈容量损失约1.3mA·h g-1，倍率性能也极为优异。而且，其体积比容量几乎是传统碳负极材料（例如MCMB）的两倍。将该材料用于钠电负极时，循环100圈后仍具有155mA·h g−1的比容量，也远高于未加Fe3+催化剂时酚醛树脂热解碳的比容量。
图3 结构和电化学性能表征
因此，金属离子与前躯体的螯合作用能够有效促进金属催化剂在碳前躯体中的分散，比传统方法更加有效地催化石墨化，这种方法能够在三维交联碳网络中引入高导电性和有序性的纳米碳结构，有效促进离子扩散和电子转移，提供足够的储锂/钠位点，不但提高了Li+/Na+的容量，同时也使循环稳定性得到提升。
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