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

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硬碳基負極材料為介孔材料，其表面積更大，鋰存儲容量更大，鋰離子的轉移也更快，更能滿足我們對鋰離子電池負極的要求。

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極材料，隨后采用了DFT研究了在鋰化過程中N摻雜對硬碳材料體積膨脹及鋰存儲容量的影響。

步驟一：通過Welcome MedeA Bundle模塊中的Surpercell Builders創建了一個a=b=c=7.5?的超晶胞碳結構。

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步驟二：通過MedeA-VASP模塊中的第一性原理分子動力學計算獲得無序的碳結構。

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步驟三：采用隨機取代功能Random Subsitutions將9.25%的C原子（5個C原子）隨機取代為N原子，創建N摻雜結構。

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步驟四：對于鋰化后的結構，采用Find Empty Space工具分析整個結構的空穴位置及半徑，選取半徑最大的位置插入Li離子，創建鋰化后的結構。

步驟五：在MedeA-VASP計算過程中，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，截斷能為520 eV，k點為4x4x4。

鋰化過程中的陽極結構

圖1? a-d為插入0，3，6，9個鋰離子未摻雜N原子的無序C結構；e-h為插入0，3，6，9個鋰離子摻雜N原子的無序C結構

研究人員先創建未摻雜及摻雜N原子的C結構（未摻雜結構為圖1（a），摻雜5個N原子，即濃度9.25%結構為圖1（e）），再通過改變插入Li離子的個數（3，6，9）模擬鋰化過程。

體積膨脹比例及膨脹系數計算

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

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然而，膨脹系數則不同，隨著N原子的摻雜，膨脹系數急劇降低，但對Li含量作圖為非線性關系。這預示著N的摻雜能夠提升陽極材料的容量維持能力。

圖2? （a）為鋰化過程中無序C結構摻雜N原子前后的體積膨脹比例圖；（b）為鋰化過程中無序C結構摻雜N原子前后的膨脹系數圖

電導計算

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電導與費米能級處的態密度成正比，由圖3可知，摻雜N原子之后，費米能級處的態密度值為摻雜之前的2倍左右，而總態密度的增加主要原因則為N原子態密度的貢獻。

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因此，N摻雜之后，電導會成倍提高，則意味著材料的電子傳輸能力也大大提高。

圖3? 摻雜N前后的無序C（C54）的態密度對比圖