西安交通大学陈元振教授，Carbon：h-BN 通过结构诱导催化制备掺硼类球形多面体石墨用于锂存储

第一作者：王宇航

通讯作者：陈元振*

单位：西安交通大学

人造石墨具有优异的稳定性和高倍率性能，已被广泛应用于动力锂离子电池。然而，传统的高温石墨化方法需要在高达 3000 ℃的高温下操作，以提高石墨化程度，而碳原子的固有扩散速率较低，导致耗电量过大、生产周期过长。因此，亟待开发一种制备高性能人造石墨材料的优异方法，以降低石墨化温度，缩短石墨化时间。

近日，西安交通大学的陈元振教授团队，在国际知名期刊Carbon上发表题为“Boron-doped polyhedral graphite catalyzed by h-BN via structural induction for lithium storage”的文章。这项工作提出了一种直接可行的催化石墨化方法。通过引入具有类石墨结构的 h-BN作为催化剂，在结构诱导和催化作用下加速了无烟煤的石墨化过程，并实现了从无定型颗粒形貌向类球形多面体形貌的同素异构转变。制得的人造石墨（AG）不仅实现了高度石墨化（93.3%），而且在用作锂离子电池负极材料时表现出了出色的比容量和高倍率性能。此外，与工业标准相比，这种方法还降低了石墨化温度，石墨化温度降至2800 ℃，且保温仅需2小时。这项工作引入了一种用于制备 AG 的高效催化剂，从而扩大了电极材料研究的范围，并为经济高效地大规模生产石墨提供了一条新途径。

由 BN 催化制备的人造石墨呈现出类球形多面体石墨结构。样品具有清晰的晶格结构。石墨典型区域的 (002) 晶面的 d 间距为 0.335 nm。在球形多面体石墨的 "拐角 "区域，(002) 平面的 d 间距大于典型石墨层间距，达到 0.355 nm。此外，石墨层之间存在层间偏转现象，这些“缺陷”位置为锂离子快速插层提供了更多的途径。

在半电池中，以0.1C的电流密度，实测比容量为369.6 mAh·g^-1，接近理论值372 mAh·g^-1；使用工业化电极配比（论文的支撑信息中）测试的首次库伦效率可以达到91%；同时在3C高电流密度下比容量仍保持在226 mAh·g^-1。长期稳定性评估显示，与商用石墨相比，人造石墨表现出卓越的稳定性，0.5C下经过500圈循环后容量保持率高达95%，1C下容量保持率仍为92%。

在低温下BN具有类似石墨的片状结构，对无定形碳转化起关键的模板作用。随着温度升高，部分BN分解，释放N₂和B，其中一部分B与无定形碳反应生成B4C。当温度升至2800°C时，B4C分解成B和C，产生的C即为高度有序的石墨结构，少量的硼会重新与无序碳反应，重复上述过程，这便是其催化过程。而类球形多面体结构的产生与生成的B4C的主晶面（021）的结构取向有密切关系。多个B4C催化剂颗粒沿不同方向分解，最终构筑多面体结构。因此，氮化硼催化的无烟煤石墨化涉及多种机制，包括结构诱导模板效应和碳化物转化，共同促使无烟煤中的无序碳结构向更有序的石墨结构转变。

Boron-doped polyhedral graphite catalyzed by h-BN via structural induction for lithium storage

王宇航，西安交通大学材料学院在读硕士，研究方向包括锂离子电池人造石墨负极材料等。