化學(xué)摻雜

硅/碳復(fù)合材料的摻雜可以分為對(duì)硅進(jìn)行摻雜和對(duì)碳進(jìn)行摻雜。對(duì)硅進(jìn)行摻雜在半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用很普遍，摻雜元素主要是硼(B)和磷(P)。在本征半導(dǎo)體硅中摻入五價(jià)的磷(P)會(huì)使體系電子濃度比空穴濃度高，形成n型半導(dǎo)體，摻入三價(jià)的硼(B)會(huì)造成體系空穴濃度比電子濃度高，形成p型半導(dǎo)體。摻雜方法主要有離子注入法和熱擴(kuò)散法兩種。離子注入設(shè)備價(jià)格昂貴，適合制備芯片等使用，熱擴(kuò)散法用到的摻雜源大多有毒有害，因此對(duì)硅摻雜改性不適合應(yīng)用在電池領(lǐng)域。對(duì)碳摻雜主要是氮(N)摻雜和氮、氟(N、F)共摻雜兩種類型，碳材料的摻雜容易實(shí)現(xiàn)，有一定的研究?jī)r(jià)值。

1.N摻雜

由于N和C原子半徑和電負(fù)性都較為接近，N原子和C原子較易發(fā)生替換，因此N元素是研究最多的碳材料的摻雜元素。N摻雜的石墨烯、碳納米管和多孔碳等已經(jīng)有了大量報(bào)道。將N原子引入石墨烯晶格，會(huì)改變石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，使石墨烯具有更高的載流子遷移率和儲(chǔ)鋰能力。N原子引入多孔碳等可以增加碳材料的缺陷位點(diǎn)，提高碳材料的電子傳輸能力，創(chuàng)造更多儲(chǔ)鋰活性位點(diǎn)。

目前主流的對(duì)碳材料摻氮的方法有：熱解法、CVD法、水熱法和水合肼還原法。

熱解法直接選用含N的聚合物與硅共混，高溫?zé)峤夂蟮玫降陌蔡紝油ǔ?huì)含N。Che等[1]采用六亞甲基四胺(HMT)作為N源，將納米硅與HMT在溶液中共混后于1000°C煅燒制得N摻雜的硅/碳材料。N摻雜的Si/C復(fù)合材料在0.5C電流下經(jīng)過(guò)100次循環(huán)后比容量保持在1238mAh/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不摻雜N的Si/C的可逆容量(690mAh/g)。同時(shí)，N摻雜的Si/C復(fù)合材料也表現(xiàn)出比Si/C更高的倍率性能。

CVD法一般采用NH3為氮源在高溫下對(duì)碳材料進(jìn)行摻N。Guo等[2]使用CVD法以NH3為氮源制備N摻雜的石墨烯。研究表明，將NH3換成N2則無(wú)法實(shí)現(xiàn)N摻雜，這是由于N2的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NH3。

水熱法一般選擇三聚氰胺、尿素或者氨水為氮源在反應(yīng)釜高溫、高壓環(huán)境中對(duì)碳材料摻氮。Tang等[3]利用水熱法制備了一種穩(wěn)定的氮摻雜石墨烯@硅材料。首先利用 PDDA修飾硅粉表面使其帶正電，隨后包氧化石墨烯，然后以三聚氰胺為氮源，通過(guò)水熱法摻氮同時(shí)還原氧化石墨烯。相比于CVD法，水熱法對(duì)設(shè)備依賴程度更低。

Long等[4]報(bào)道通過(guò)氨水和水合肼的混合溶液去還原氧化石墨烯得到氮摻雜的石墨烯,在不加氨水的條件下直接超聲石墨烯的水合肼溶液也可以得到N摻雜的石墨烯。

2.N、F共摻雜

同時(shí)用N和F摻雜石墨烯將會(huì)在石墨烯表面創(chuàng)造出比單獨(dú)N摻雜更多的結(jié)構(gòu)缺陷，有利于提高其儲(chǔ)鋰能力。Peera等[5]用C6H3N6作為氮源，NH4F作為F源，采用高溫?zé)峤夥ㄖ苽淞薔、F共摻雜的石墨納米纖維。

審核編輯 ：李倩