有望提升锂电负极性能的电池材料

锂离子电池经过多年的发展，比能量、倍率性能和安全性能都得到了极大的提升，但是随着数码电子产业和电动汽车产业的快速发展，对锂离子电池的能量密度提出更高的要求。而锂离子电池的能量密度主要取决于正极活性物质和负极活性物质的比容量，传统的石墨材料理论比容量仅为372mAh/g，远远不能满足高比能锂离子电池的需求，因此急需开发新型的高容量负极材料。

其实在整个锂离子电池的发展历史中，人们对高性能负极材料的研发也从未止步，例如硅合金负极材料经过多年的技术发展，已经逐渐成熟。纳米化、石墨包覆等手段，负极补锂工艺和电解液技术的发展，使得硅负极的商业化应用的时机已经成熟，但是目前高性能硅负极材料生产技术还被牢牢控制在日韩两国的手中，使得中国锂电企业在使用硅基负极材料时处处受到掣肘，高额利润被日韩厂家赚取。其他正在研发中，有望取代硅负极的高性能负极材料还有金属硫化物负极，例如MoS2等，锡基合金材料，氮掺杂石墨材料等。特别是氮掺杂石墨材料，在传统的石墨类材料的基础上，经过形貌改造和元素掺杂等工艺，可以使得材料的比容量得到极大的提升，极有希望成为下一代锂离子电池负极材料。

相关研究显示，石墨类材料的比容量主要取决于比表面积、孔结构、掺杂和缺陷等因素，因此对石墨材料性能的提升，需要对材料的结构进行系统的设计。N元素掺杂是提升石墨材料容量的有效方案，通过在石墨材料中掺入部分N元素，可以显著的提升石墨材料的比容量，并且可以改善石墨与电解液之间的浸润特性，同时N掺杂在石墨内部产生了数量众多的缺陷，能够作为Li+嵌入的活性点，增加N掺杂石墨材料的比容量。同时石墨材料一些自身固有的缺陷，例如双空位缺陷，Stone-Wales缺陷等，也能够提高锂离子电池的容量。综上所述，一款理想的是石墨负极材料应该具有一下特点：1）具有3D网状结构，具有微孔或者介孔结构，保证锂离子快速传输；2）SP2键连接的共价键结构，以保证快速传导电子的能力；3）优化的掺杂元素和缺陷的布局，为Li+嵌入提供更多的活性点位。

为了合成一款具有上述特性的石墨材料，中科大的ZiqiTan选取反应活性非常高的C60材料为前驱体，用KOH在500-700摄氏度，氨气气氛下进行处理后，获得了主要由SP2共价键构成的N掺杂多孔碳材料，该材料的N含量为7.8wt%，在100mA／g的电流密度下，该材料的可逆比容量达到1900mAh／g，在5A／g的高电流密度下，比容量达到600mAh／g，在5A／g的电流密度下，循环2000次，平均的容量衰降速度仅为0.03%／次。

研究显示，对该材料N元素含量影响最大的是热处理的温度，从500-700摄氏度，N元素的含量逐渐上升，而NH3处理处理时间反而对N元素的含量影响不大。透射电镜分析显示，该方法制备的N掺杂石墨材料孔径分布从数纳米到数百纳米不等。电化学测试发现，该材料首次嵌锂容量为3040mAh／g，首次脱锂容量为1878mAh／g，首次效率为60%左右，但是随后库伦效率就达到100%左右。在100mA／g的电流密度下，N含量为7.8wt%的材料的可逆容量达到了1903mAh／g，并且表现出了最为均衡的容量和倍率性能。

材料的循环测试分别在2.5A／g和5A／g的电流密度下进行测试，在两种电流密度下，N掺杂石墨材料的比容量在初期都呈现上升的趋势，然后在大约300次左右后该材料的容量开始持续的下降，例如在5A／g的电流密度下，材料的容量首先是在循环800次后，上升到了600mAh／g，然后材料的容量开始持续的下降，在2000次后，容量下降到了300mAh／g。

为了对N掺杂石墨材料的工作机理进行研究，ZiqiTan对两种因素的影响进行了理论计算，结果显示为石墨材料增加一定的曲度，可以有效的提高石墨吸附Li+等能力，而N元素的掺杂，能够更进一步的增强碳材料吸附Li+的能力。

该材料不仅可以用于锂离子电电池的负极材料，还可以用于超级电容器，也表现出了良好的电化学性能。目前该材料存在的主要问题还是材料的首次效率偏低，仅为60%，需要配合补锂等工艺使用。目前该材料的制备成本还过高，还需要对相关工艺进行进一步研究。