Hard carbon (HC) is currently one of the most promising anode materials for sodium-ion batteries (SIBs). For commercial applications, HC anodes require a high initial Coulombic efficiency (ICE) and a high reversible capacity, which are closely related to a low open-pore volume and a high closed-pore volume in the HC structure. In parallel, HC requires production routes with lower energy consumption and smaller environmental footprints in order to support a circular economy. However, current HC production predominantly relies on conventional resistance-heated carbonization, in which heat is supplied externally and transferred indirectly to the material. This leads to high energy consumption and typically requires extreme carbonization temperatures to induce closed-pore formation. Therefore, additional chemical treatments or post-modification processes are often required, further increasing energy demand and environmental impact. These limitations collectively restrict the scalable and sustainable application of HC anodes.

This thesis aims to develop feasible and energy-efficient modification and carbonization processes for HC production to enhance material resource circularity. Accordingly, fundamental studies combining data-driven modeling, laboratory-scale experiments, and process simulations are conducted. The thesis is based on four different studies that together establish a systematic understanding of the process–structure–performance relationships in biomass-derived HC and propose an energy-efficient pore-engineering strategy enabled by bio-oil modification and induction heating carbonization (IC).

First, through comprehensive literature data analysis and machine-learning modeling, carbonization temperature and HC structure are identified as the dominant factors for HC electrochemical performance. Low open-pore structures and surface defect densities are found to be critical for achieving high ICE, while large interlayer spacing and closed-pore volumes are beneficial for a high plateau capacity. Importantly, the analysis reveals the limitation of conventional carbonization in simultaneously achieving low open porosity and promoting closed-pore formation.

To overcome these limitations, a sustainable bio-oil surface engineering strategy is developed to suppress open pores and surface defects. This approach reduces the specific surface area of HC from 28 to 9 m²/g and increases the ICE from 84.4% to 89.9%. By combining bio-oil surface engineering, a novel IC route is further developed. IC enables direct volumetric heating through eddy currents, which simultaneously minimizes open porosities and promotes closed-pore formation. As a result, optimal IC-derived HC exhibits open-pore volume below 0.003 cm³/g and closed-pore volume of up to 0.23 cm³/g, with an ultra-high ICE value exceeding 95%, and plateau capacity above 260 mAh/g.

Finally, energy analysis and life cycle assessment demonstrate that IC reduces the carbonization energy consumption by approximately 60% and lowers overall environmental impacts by approximately 35% compared with conventional routes. Overall, this thesis demonstrates that the combination of bio-oil modification and IC provides an energy-efficient and low-carbon pathway for producing high-performance biomass-derived HC anodes, supporting the sustainable development of next-generation sodium-ion batteries.

Hårt kol (HC) utgör för närvarande ett av de mest lovande anodmaterialen för natriumjonbatterier (SIB). För kommersiella tillämpningar krävs att HC-anoder uppvisar en hög initial Coulombisk verkningsgrad (ICE) och en hög reversibel kapacitet, vilka är nära kopplade till en HC-struktur med en låg öppen porvolym och en hög sluten porvolym. Parallellt kräver HC produktionsvägar med låg a energiförbrukningar och en reducerad miljöpåverkan för att stödja en cirkulär ekonomi. Emellertid baseras dagens HC-produktion huvudsakligen på konventionell resistansuppvärmd karbonisering, där värme tillförs externt och överförs indirekt till materialet. Detta leder till en hög energiförbrukning och kräver vanligtvis extrema karboniseringstemperaturer för att inducera bildning av slutna porer. Därför används ofta ytterligare kemiska behandlingar eller eftermodifieringsprocesser, vilket ytterligare ökar energibehovet och miljöpåverkan. Dessa begränsningar sammantaget hindrar den skalbara och hållbara tillämpningen av HC-anoder.

Denna avhandling syftar till att utveckla genomförbara och energieffektiva modifierings- och karboniseringsprocesser för HC-produktion för att förbättra materialresursernas cirkularitet. I detta syfte genomförs grundläggande studier som kombinerar datadriven modellering, laboratorieexperiment och processimuleringar. Avhandlingen baseras på fyra olika studier som tillsammans etablerar en systematisk förståelse av sambanden mellan process, struktur och prestanda i biomassabaserat HC samt föreslår en energieffektiv por-ingenjörsstrategi möjliggjord av bio-oljemodifiering och induktionsuppvärmd karbonisering (IC).

För det första identifieras, genom en omfattande litteraturanalys och maskininlärningsmodellering, karboniseringstemperatur och HC-struktur som de dominerande faktorerna som påverkar den elektrokemiska prestandan hos HC. Undertryckta öppna porstrukturer och låg ytdefekttäthet visar sig vara avgörande för att uppnå hög ICE, medan större interlagringsavstånd och hög sluten porvolym är gynnsamma för hög platåkapacitet. Analysen visar dessutom den inneboende begränsningen hos konventionell karbonisering när det gäller att samtidigt uppnå låg öppen porositet och främja bildning av slutna porer.

För att övervinna dessa begränsningar utvecklas en hållbar ytmodifieringsstrategi baserad på bio-olja för att minska andelen öppna porer och ytdefekter. Denna metod reducerar den specifika ytan hos HC från 28 till 9 m²/g och ökar ICE från 84,4 % till 89,9 %. Genom att kombinera bio-oljebaserad ytmodifiering utvecklas vidare en ny IC-process. IC möjliggör direkt volymetrisk uppvärmning via virvelströmmar, vilket samtidigt minimerar den öppen porositeten och främjar bildningen av slutna porer. Som ett resultat uppvisar en optimerat IC-framställd HC anod en öppen porvolym under 0,003 cm³/g och en sluten porvolym upp till 0,23 cm³/g, med mycket höga ICE-värden över 95 % samt platåkapaciteter över 260 mAh/g.

Slutligen visar energi- och livscykelanalyser att IC reducerar energiförbrukningen vid karbonisering med cirka 60 % och minskar den totala miljöpåverkan med cirka 35 % jämfört med konventionella processer. Sammantaget visar denna avhandling genom att använda kombinatione av en bio-oljemodifiering och en induktionsuppvärmd karbonisering är möjligt att åstadkomma en energieffektiv och koldioxidsnål väg för en produktion av högpresterande biomassabaserade HC-anoder, vilket stödjer en hållbar utveckling av nästa generations natriumjonbatterier.