近年來隨著鋰離子電池能量密度的不斷提升，傳統(tǒng)的鋰離子電池材料正逐漸式微，被后起之秀逐漸取代，正極方面是NCA和NCM材料，而負(fù)極方面則是高容量的Si材料。相比于石墨材料372mAh/g的理論容量，Si材料的理論容量可達(dá)4200mAh/g（Li4.4Si），實(shí)踐中也能夠達(dá)到3000mAh/g左右，遠(yuǎn)高于石墨類材料，但是Si材料存在一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)——巨大的體積膨脹，在完全嵌鋰狀態(tài)下Si材料的體積膨脹可達(dá)300%，這不僅會(huì)破壞Si顆粒表面的SEI膜，引起界面不穩(wěn)定，導(dǎo)致Li的損失，還會(huì)破壞電極的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致活性物質(zhì)的損失，這些因素都導(dǎo)致了Si材料的循環(huán)性能明顯低于石墨類材料，雖然人們采取了許多措施抑制Si材料的體積膨脹，例如納米化、納米Si-碳復(fù)合和合成SiOX等，但是效果并不理想，目前也僅僅是SiOX材料在實(shí)踐中取得了一定的成效。

為此，人們在持續(xù)推進(jìn)SiOX材料的研究同時(shí)，也沒有放棄其他高容量的負(fù)極材料的開發(fā)，今天我們?yōu)榇蠹医榻B的就是由北京大學(xué)Xinyao Zheng等開發(fā)的稀土元素增強(qiáng)石墨材料，該材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，在循環(huán)250次后，仍然保持720mAh/g的高容量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通石墨材料，也高于目前常用的SiOX/石墨復(fù)合材料，具有良好的應(yīng)用前景。

石墨材料的理論容量僅為372mAh/g，為了解決石墨材料容量較低的問題，Xinyao Zheng利用稀土元素合成了YH3-石墨復(fù)合材料（Y代表稀土元素），研究發(fā)現(xiàn)YH3中的一個(gè)H原子具有電化學(xué)活性，能夠作為負(fù)電荷中心，著提升石墨嵌Li的能力，平均一個(gè)活性H原子能夠固定3.1-3.4個(gè)Li原子，因此通過合成YH3-石墨復(fù)合材料，使得負(fù)極嵌鋰由形成LiC6，轉(zhuǎn)變?yōu)榱诵纬蒐i5C16H，極大的曾強(qiáng)了其嵌Li的能力。

YH3-石墨復(fù)合材料的合成是通過將YH3粉末與石墨材料在0.4MPa下的H2氣氛進(jìn)行球磨獲得，EDS分析可以發(fā)現(xiàn)C元素和Y元素在材料中分布都非常均勻（上圖a），上圖c展示了YH3/石墨=0.5:1的樣品和YH2/石墨=0.5:1的樣品的首次沖放電曲線，從圖上可以看到對于YH3/石墨樣品首次嵌鋰容量和脫鋰容量分別為1430mAh/g和800mAh/g，從不同嵌鋰狀態(tài)下的XRD衍射圖案上可以注意到，在YH3/石墨樣品發(fā)生嵌鋰后，材料中開始出現(xiàn)YH2的衍射峰，完全嵌鋰狀態(tài)的樣品則主要由YH2和石墨組成，在脫鋰的后部分YH2又轉(zhuǎn)變?yōu)閅H3，這表明在充放電過程中YH3中僅有一個(gè)H原子是具有活性。

YH3的加入不僅讓復(fù)合材料的比容量達(dá)到了800mAh/g，并且該材料還具有非常好的循環(huán)性能，以50mA循環(huán)250次以后，容量仍然可達(dá)720mAh/g以上（如上圖a）。相比之下該材料的倍率性能卻比較差，當(dāng)電流從50mA提高到2500mA時(shí)，材料的剩余容量僅為170mAh/g（如上圖b）。

為了研究YH3對石墨材料容量提升的機(jī)理，Xinyao Zheng分別對YH3，YH3/石墨和YH2/石墨材料進(jìn)行了循環(huán)伏安測試，結(jié)果如上圖e所示，從圖上可以注意到Y(jié)H2/石墨的曲線與純石墨材料非常類似，都是在0.2V出現(xiàn)了一個(gè)電流峰，但是YH3/石墨材料的電流峰出現(xiàn)了明顯的區(qū)別，在0.18V左右出現(xiàn)了一度電流峰，這在純YH3和YH2/石墨材料中都沒有觀察到，這表明YH3的加入使得石墨材料內(nèi)產(chǎn)生了新的嵌鋰機(jī)理。根據(jù)上面的研究，Xinyao Zheng認(rèn)為YH3中的一個(gè)H原子具有電化學(xué)活性，能夠顯著的增強(qiáng)石墨材料的嵌鋰能力，反應(yīng)如下式所示。

為了深入理解YH3在石墨材料中的作用機(jī)理，Xinyao Zheng利用密度函數(shù)理論對YH3/石墨復(fù)合材料的嵌鋰過程進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明H原子在材料中起到的作用為提供一個(gè)電負(fù)性的中心，H原子占據(jù)一個(gè)碳六邊形的中心，周圍的碳六邊形內(nèi)都會(huì)嵌入Li，從而極大的提高了石墨材料的儲(chǔ)Li能力。

Xinyao Zheng等開發(fā)的YH3/石墨材料，通過稀土元素氫化物的加入增強(qiáng)了石墨材料的嵌鋰能力，不同于普通的材料混合，YH3的加入在石墨材料碳原子層中形成了一個(gè)以H原子為中心的電負(fù)性中心，能夠有效的增加石墨材料的嵌Li能力，提升材料的容量，更為重要的是該材料不僅具有高容量，還具有非常優(yōu)異的循環(huán)性能，50mA循環(huán)250次，容量幾乎沒有衰降。但是該材料目前仍然存在首次效率過低和倍率性能不佳等問題，還有待進(jìn)一步的解決。