硬碳，又称不可石墨化碳，是一类即使将前驱体加热到2500 °C以上仍难以石墨化的碳材料。硬碳的微观结构常被描述为由卷曲的、扭曲的和折叠的离散石墨烯片的局部堆叠构成的高度无序的湍层结构组成。这种相当随机的堆叠导致了硬碳中大小不一的微孔与缺陷，未发育的层状结构使硬碳的层间距大于石墨。这种高度无序的结构为提高硬碳负极的吸附容量提供了更多的活性离子存储位点。硬碳类材料以其高容量和优异的倍率性能，在储能方向展示出巨大的发展潜力。然而，硬碳在制备过程中不可避免发生杂原子的引入，使得未经修饰改性的硬碳材料在首圈放电循环中，缺陷和微孔处不可逆地捕获大量Li⁺离子，导致了硬碳负极很难获得理想的首圈库伦效率(ICE) （< 70%）和循环寿命的严重退化。

近日，上海硅酸盐研究所黄富强研究员和董武杰副研究员团队采用简便而通用的表面退火策略来改善硬碳本身固有性质，在保持形貌和微孔结构的同时，通过表面基团的去除、层间距的扩大和局部晶畴石墨化的协同作用，保证了退火硬碳表现出较高的初始库伦效率和明显提高的长循环性能。

在最佳退火条件下，不同的硬碳负极均表现出良好的ICE，退火负极HC-600的ICE从的61%提高到90%，BHC550-900则从68%提高至83%（图1）。表面退火工程对ICE的提升作用亦可以应用于公斤级大规模硬碳退火，同样获得明显提升的ICE（图2），为硬碳负极的大规模加工提供了方便的思路和可能。在反应机理研究中，作者发现硬碳在退火过程中发生脱羟基和脱氨基反应，优化其表面含氮、含氧官能团的含量。期间伴随着H₂O、NH₃、CH₄等小分子气体的释放，使层间距扩大，有利于离子扩散，为电子输运提供更多入口；同时硬碳内部发生石墨截面小晶畴的结构演化，实现sp³ C转化为sp² C，局部石墨化程度增加，缺陷水平优化。实验中直接观测到小分子气体的产生，羟基、氨基的消失与出现证明了该反应机理（图3）。