突破372障碍——氮掺杂石墨！

对于石墨材料，372是一个无法逾越的数字，这不是别的，正是石墨材料的理论比容量，石墨材料的比容量越是靠近这个数字，提高就愈加困难，这仿佛是一个被诅咒了得数字，就摆在那里让你无可奈何。

这让小编想起了当年摆在人们面临的音障难题——音速就摆在那里，你狠的咬牙切齿，却又无可奈何。但是任何困难都是可以克服的，就想当年音障可以被突破一样，372一样可以被击碎，372一样可以被踩在脚下。

人们从来没有放弃对石墨比容量的任何一点提升，为了提升石墨材料的储锂性能，人们合成了多种纳米结构的石墨材料：碳纳米管、纳米碳纤维、石墨烯、多孔碳等。另一个提升碳材料的比容量的方式就是掺杂，例如磷、硼、硫、氮等元素掺杂可以显著的提升石墨材料的比容量。

特别是N元素是一种非常优异的石墨掺杂材料，N原子的电负性为3.5，这要高于碳材料的3.0电负性，N原子与石墨原子结合后，可以进一步的降低石墨材料的电负性，因此更加容易与Li+反应，这也显著的提高了N掺杂石墨材料的比容量，例如氮掺杂石墨在2A/g的电流密度下循环600次后，其比容量仍然可以达到943mAh/g，这要远高于未掺杂的石墨材料。

武汉大学的KaifuHuo等利用N掺杂技术制备的氮掺杂介孔碳中空球(N-MCHSs)材料，该材料表现出了优异的电化学性能，0.1A/g的电流密度下，比容量高达931mAh/g，在0.5A/g的电流密度下，循环1100次后，比容量仍然可以达到485.7mAh/g。将电流密度提高8倍，达到4A/g，仍然能够维持50%的容量。

N-MCHSs合成过程十分有趣，与其说是化学实验，更像一个生物实验，实验中采用了介孔中空硅球(MHSiO2)作为模版，多巴胺作为N源和C源，多巴胺具有自聚合的特性，开始的时候多巴胺会在MHSiO2的内表面和内表面聚合成为高聚多巴胺，并渗入到MHSiO2的内部，然后在高温下将高聚多巴胺进行碳化，最后再利用HF移除掉模版MHSiO2，就获得了氮掺杂介孔中空碳球N-MCHSs。

这种方法成本高，效率低自然是不能用于工业生产上的，但是我们更加关注的是N-MCHSs材料的性能究竟如何。采用该方法合成的N-MCHSs材料的壳壁内部呈现出海绵状的多孔结构，其比表面积高达411.6m2/g。

拉曼光谱显示，随着焙烧温度从600℃提高到900℃，1350cm-1处的D键和1590cm-1处的G键，都逐渐增强，这表明随着温度的提高，材料的石墨化程度也在逐渐提高。

XPS研究显示，焙烧温度为600℃、800℃和900℃时，材料中的N元素的含量分别为5.73%、4.48%和2.26%，但是实际上与石墨化合的N元素含量几乎没有发生变化，发生改变的N元素主要是吡啶型N。

虽然N含量较高的N-MCHSs材料虽然具有较高的比容量，但是由于石墨化程度较低，因此电化学性能不稳定。

电化学测试表明，由于N元素加入，改善了碳材料的导电性，从而有益于材料倍率性能的提升，800℃下制备的N-MCHSs材料，在0.1A/g、0.2A/g、0.5A/g、2.0A/g和4.0A/g电流密度下，其比容量可以分别达到931.3、632.8、475.7、348.5和233.9mAh/g，表明材料具有良好的倍率性能。

在0.5A/g的电流密度下，N-MCHSs材料可以获得稳定的485.7mAh/g的比容量，并且在循环1100次后没有明显的衰降，表现出了优异的循环稳定性。但是N-MCHSs材料由于其较高的比表面积，导致其在首次充放电过程中会形成大量的SEI膜，消耗了大量的Li导致其首次效率只有66.4%。

石墨掺杂技术是石墨材料唯一的出路，通过氮元素、硼元素等掺杂不仅能够显著的提高材料的比容量，还能改善材料的导电性，提高材料的倍率性能。

石墨掺杂技术还需要配合石墨结构改造同时进行，介孔碳材料是一种很有潜力的石墨材料，介孔碳与元素掺杂配合可谓事半功倍。相信随着技术的进步，石墨类材料还能焕发出新的光彩，继续为锂离子电池事业发光发热！