Li電池的負(fù)極主要都采用石墨碳及其衍生物。如何選擇負(fù)極材料主要取決于材料的低成本及其電化學(xué)性質(zhì)。但是，石墨碳的鋰存儲(chǔ)容量較低，約為372?mAh g^-1。

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硬碳基負(fù)極材料為介孔材料，其表面積更大，鋰存儲(chǔ)容量更大，鋰離子的轉(zhuǎn)移也更快，更能滿足我們對(duì)鋰離子電池負(fù)極的要求。

研究人員采用單步水熱合成法制備了N摻雜的多層多孔硬碳納米球負(fù)極材料，隨后采用了DFT研究了在鋰化過(guò)程中N摻雜對(duì)硬碳材料體積膨脹及鋰存儲(chǔ)容量的影響。

步驟一：通過(guò)Welcome MedeA Bundle模塊中的Surpercell Builders創(chuàng)建了一個(gè)a=b=c=7.5?的超晶胞碳結(jié)構(gòu)。

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步驟二：通過(guò)MedeA-VASP模塊中的第一性原理分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算獲得無(wú)序的碳結(jié)構(gòu)。

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步驟三：采用隨機(jī)取代功能Random Subsitutions將9.25%的C原子（5個(gè)C原子）隨機(jī)取代為N原子，創(chuàng)建N摻雜結(jié)構(gòu)。

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步驟四：對(duì)于鋰化后的結(jié)構(gòu)，采用Find Empty Space工具分析整個(gè)結(jié)構(gòu)的空穴位置及半徑，選取半徑最大的位置插入Li離子，創(chuàng)建鋰化后的結(jié)構(gòu)。

步驟五：在MedeA-VASP計(jì)算過(guò)程中，采用自旋極化DFT方法，泛函選取GGA-PBE，范德華相互作用采用DFT-D2近似，截?cái)嗄転?20 eV，k點(diǎn)為4x4x4。

鋰化過(guò)程中的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)

圖1? a-d為插入0，3，6，9個(gè)鋰離子未摻雜N原子的無(wú)序C結(jié)構(gòu)；e-h為插入0，3，6，9個(gè)鋰離子摻雜N原子的無(wú)序C結(jié)構(gòu)

研究人員先創(chuàng)建未摻雜及摻雜N原子的C結(jié)構(gòu)（未摻雜結(jié)構(gòu)為圖1（a），摻雜5個(gè)N原子，即濃度9.25%結(jié)構(gòu)為圖1（e）），再通過(guò)改變插入Li離子的個(gè)數(shù)（3，6，9）模擬鋰化過(guò)程。

體積膨脹比例及膨脹系數(shù)計(jì)算

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摻雜N之后，體積膨脹比例明顯變小，但對(duì)Li含量作圖，始終維持線性關(guān)系，如圖2（a）。

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然而，膨脹系數(shù)則不同，隨著N原子的摻雜，膨脹系數(shù)急劇降低，但對(duì)Li含量作圖為非線性關(guān)系。這預(yù)示著N的摻雜能夠提升陽(yáng)極材料的容量維持能力。

圖2? （a）為鋰化過(guò)程中無(wú)序C結(jié)構(gòu)摻雜N原子前后的體積膨脹比例圖；（b）為鋰化過(guò)程中無(wú)序C結(jié)構(gòu)摻雜N原子前后的膨脹系數(shù)圖

電導(dǎo)計(jì)算

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電導(dǎo)與費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度成正比，由圖3可知，摻雜N原子之后，費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度值為摻雜之前的2倍左右，而總態(tài)密度的增加主要原因則為N原子態(tài)密度的貢獻(xiàn)。

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因此，N摻雜之后，電導(dǎo)會(huì)成倍提高，則意味著材料的電子傳輸能力也大大提高。

圖3? 摻雜N前后的無(wú)序C（C54）的態(tài)密度對(duì)比圖