【干货】用富勒烯制备N掺杂多孔碳材料

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。