等离子体诱导氮掺杂石墨烯微片在石墨表面的原位合成及其对锂离子电池负极性能的协同增强机制

本文创新性地采用Ar/N2等离子体技术，在石墨表面原位构建氮掺杂石墨烯微片（N-doped graphene microsheets），通过同步实现结构调控（层间距扩展至0.344 nm）和元素掺杂（氮含量达6.31 at.%），使改性石墨负极（P-G）在100 mA g−1电流密度下比容量提升31.2%（470.63 mA h g−1），并在1 A g−1下循环1000次后容量保持率达83.5%，显著优于未改性石墨（43.6%）。该研究为发展高效环保的负极改性技术提供了新思路。

Highlight

等离子体技术通过高能粒子轰击实现石墨表面拓扑重构与化学态演变的双重调控，为开发高性能负极材料开辟新路径。

Experimental methods

针对单一气氛（Ar或N₂）等离子体难以协同优化材料表面结构与化学组成的问题，本研究设计阶段通过系统预实验发现：Ar/N₂混合等离子体可产生协同效应——Ar组分主导表面刻蚀形成微纳结构，N₂组分提供活性氮源实现高效掺杂。具体流程：将石墨粉体置于等离子体反应腔，通入Ar/N₂混合气体（体积比4:1），在功率300 W、气压50 Pa条件下处理60分钟，获得改性样品P-G。

Surface morphology of graphite

扫描电镜（SEM）显示（图2a-c），原始石墨（G）呈现光滑致密的块状结构；经等离子体改性后（图2d-f），P-G表面"绽放"出三维花瓣状微纳结构，比表面积从3.25激增至28.64 m² g⁻¹。元素映射证实氮元素均匀分布在石墨烯微片边缘（图2g），这种独特的"边缘富氮"特征有利于增强界面电荷传输。

Conclusions

本研究通过Ar/N₂等离子体一步法实现石墨负极的"结构-组分"双重复合改性：①原位生长的氮掺杂石墨烯微片提供大量锂吸附位点；②扩大的层间距（0.344 nm）加速Li⁺扩散；③氮掺杂诱导的赝电容效应贡献38.7%的容量提升。组装的LiFePO₄||P-G全电池在1C倍率下展现120.35 mA h g⁻¹的可逆容量，100次循环后容量保持率91.4%，显著优于商业化石墨体系。