鋰離子電池經(jīng)過多年的發(fā)展，比能量、倍率性能和安全性能都得到了極大的提升，但是隨著數(shù)碼電子產(chǎn)業(yè)和電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對鋰離子電池的能量密度提出更高的要求。而鋰離子電池的能量密度主要取決于正極活性物質(zhì)和負極活性物質(zhì)的比容量，傳統(tǒng)的石墨材料理論比容量僅為372mAh/g，遠遠不能滿足高比能鋰離子電池的需求，因此急需開發(fā)新型的高容量負極材料。

其實在整個鋰離子電池的發(fā)展歷史中，人們對高性能負極材料的研發(fā)也從未止步，例如硅合金負極材料經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)逐漸成熟。納米化、石墨包覆等手段，負極補鋰工藝和電解液技術(shù)的發(fā)展，使得硅負極的商業(yè)化應(yīng)用的時機已經(jīng)成熟，但是目前高性能硅負極材料生產(chǎn)技術(shù)還被牢牢控制在日韓兩國的手中，使得中國鋰電企業(yè)在使用硅基負極材料時處處受到掣肘，高額利潤被日韓廠家賺取。其他正在研發(fā)中，有望取代硅負極的高性能負極材料還有金屬硫化物負極，例如MoS2等，錫基合金材料，氮摻雜石墨材料等。特別是氮摻雜石墨材料，在傳統(tǒng)的石墨類材料的基礎(chǔ)上，經(jīng)過形貌改造和元素摻雜等工藝，可以使得材料的比容量得到極大的提升，極有希望成為下一代鋰離子電池負極材料。

相關(guān)研究顯示，石墨類材料的比容量主要取決于比表面積、孔結(jié)構(gòu)、摻雜和缺陷等因素，因此對石墨材料性能的提升，需要對材料的結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)的設(shè)計。N元素摻雜是提升石墨材料容量的有效方案，通過在石墨材料中摻入部分N元素，可以顯著的提升石墨材料的比容量，并且可以改善石墨與電解液之間的浸潤特性，同時N摻雜在石墨內(nèi)部產(chǎn)生了數(shù)量眾多的缺陷，能夠作為Li+嵌入的活性點，增加N摻雜石墨材料的比容量。同時石墨材料一些自身固有的缺陷，例如雙空位缺陷，Stone-Wales缺陷等，也能夠提高鋰離子電池的容量。綜上所述，一款理想的是石墨負極材料應(yīng)該具有一下特點：1）具有3D網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有微孔或者介孔結(jié)構(gòu)，保證鋰離子快速傳輸；2）SP2鍵連接的共價鍵結(jié)構(gòu)，以保證快速傳導電子的能力；3）優(yōu)化的摻雜元素和缺陷的布局，為Li+嵌入提供更多的活性點位。

為了合成一款具有上述特性的石墨材料，中科大的ZiqiTan選取反應(yīng)活性非常高的C60材料為前驅(qū)體，用KOH在500-700攝氏度，氨氣氣氛下進行處理后，獲得了主要由SP2共價鍵構(gòu)成的N摻雜多孔碳材料，該材料的N含量為7.8wt%，在100mA／g的電流密度下，該材料的可逆比容量達到1900mAh／g，在5A／g的高電流密度下，比容量達到600mAh／g，在5A／g的電流密度下，循環(huán)2000次，平均的容量衰降速度僅為0.03%／次。

研究顯示，對該材料N元素含量影響最大的是熱處理的溫度，從500-700攝氏度，N元素的含量逐漸上升，而NH3處理處理時間反而對N元素的含量影響不大。透射電鏡分析顯示，該方法制備的N摻雜石墨材料孔徑分布從數(shù)納米到數(shù)百納米不等。電化學測試發(fā)現(xiàn)，該材料首次嵌鋰容量為3040mAh／g，首次脫鋰容量為1878mAh／g，首次效率為60%左右，但是隨后庫倫效率就達到100%左右。在100mA／g的電流密度下，N含量為7.8wt%的材料的可逆容量達到了1903mAh／g，并且表現(xiàn)出了最為均衡的容量和倍率性能。

材料的循環(huán)測試分別在2.5A／g和5A／g的電流密度下進行測試，在兩種電流密度下，N摻雜石墨材料的比容量在初期都呈現(xiàn)上升的趨勢，然后在大約300次左右后該材料的容量開始持續(xù)的下降，例如在5A／g的電流密度下，材料的容量首先是在循環(huán)800次后，上升到了600mAh／g，然后材料的容量開始持續(xù)的下降，在2000次后，容量下降到了300mAh／g。

為了對N摻雜石墨材料的工作機理進行研究，ZiqiTan對兩種因素的影響進行了理論計算，結(jié)果顯示為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元素的摻雜，能夠更進一步的增強碳材料吸附Li+的能力。

該材料不僅可以用于鋰離子電電池的負極材料，還可以用于超級電容器，也表現(xiàn)出了良好的電化學性能。目前該材料存在的主要問題還是材料的首次效率偏低，僅為60%，需要配合補鋰等工藝使用。目前該材料的制備成本還過高，還需要對相關(guān)工藝進行進一步研究。