几种新型二维纳米电极材料结构与性能研究

发布时间：2020-07-25 11:28

【摘要】：2004年,石墨烯的诞生拉开了研究二维纳米材料的帷幕。此后,以石墨烯为代表的二维纳米材料掀起了纳米电子学和材料学等领域的研究热潮。一方面,这些二维纳米材料具有优异的电、光、力等物理性质。另一方面,他们凭借自身的独特几何构型一度成为研究的焦点。其中,二维纳米结构比表面积大以及无悬挂键的特点对金属离子在其表面吸附和扩散是非常有利的。本文是在我充分调研了二维纳米材料作为离子电池电极的基础上,利用第一性原理研究了几种优异的二维纳米电极材料:首先,研究了InP_3单层作为Li/Na离子电池的阳极材料。一方面,Li/Na吸附的InP_3体系是金属性质,这保证了在充放电过程中的导电性。另一方面,Na离子在InP_3表面上的扩散势垒低到0.06 eV,说明具有超快的充放电能力。此外,单层InP_3的几何结构在最大存储容量情况下(258.1 mA h g~(-1))还能够保持住几何构型,这一点使它在阳极材料领域具有很大的潜力。其次,我们预测了另一种二维SnP_3作为Na离子电池的阳极材料。通过声子谱,结合能,分子动力学的计算可知,二维纳米SnP_3单层是稳定的。研究发现,二维SnP_3作为阳极材料具有低的扩散势垒、高的存储容量、合适的开路电压。另外,由于层间协同效应,导致Na离子在少层SnP_3的扩散能力有所下降。最后,研究了二维单层、双层arsenene和graphene/arsenene异质结作为Mg离子电池的阳极材料。单层(双层)arsenene作为阳极材料具有较低的镁扩散势垒、较高的理论容量。与单层arsenene作为阳极材料相比,graphene/arsenene异质结构不仅可以提高Mg的吸附强度,而且降低了扩散势垒。尤其是Mg的扩散势垒低到了0.08 eV,这潜意识的表明其快速迁移能力。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;TM912
【图文】：

离子电池,纳米材料,二维

二维纳米碳电极材料（碳纳米管、石墨稀、介孔碳）[16-19]等已经被研究用作到目前为止，世界上的锂元素资源已经被逐渐的开采和利用，这无疑迫使科技子电池。近年来，NIBs 和 MIBs 也一度成为的研究的焦点。维单层材料凭借自身几何结构的优势（比表面积大，嵌入位点多，扩散路径短少，质量相对小等等）备受关注。尤其在近几年，大规模电力存储设备需求日益快科研工作者对二维纳米材料的研究。二维金属氧化物材料，过渡金属氧化物料，碳材料[17,19]等等许多二维单层材料已经被用于离子电池（图 1.1）。尤其是与活性金属或金属氧化物纳米粒子形成的复合材料也被研究作为离子电池电极之，可充电离子电池的研究将始终围绕着怎样提高电池容量、怎样改善电极循环全使用、怎样降低成本，怎样方便使用为中心进行的。随着科学技术的不断将应用到生活、工作、国防等各个领域，这势必会加大对高性能储能设备需求促使我们尽快的研究新型的高效离子电池。我们也应该坚信离子电池在未来的天、军事、医疗等领域将大放异彩，取得不错的成绩。

吸附位点,单层,钠原子,吸附能

图 3.2 InP3单层上面的吸附位点图附在 1、2、4、5 和 7 位置的的锂/钠原子，当在 6 或 9 位上吸附锂/钠原子进行几何障碍的移动到相邻的 3 位置。为了评估锂/面公式(3.4)计算它们的吸附能 Eads:3 M 3ads InP MInPE= E + E -E其体相晶体结构中的能量，3InPE 和3MInPE 分能量。通过这个公式可以看出，计算的吸附热的。计算结果表明：锂和钠在 8 位置的位置上的吸附能最高为 0.89 eV(1.86 eV)。与)相比，InP3单层具有更快的吸附过程，且

碱金属,总能,垂直距离,平面

3.3 碱金属与 InP3表面最高平面垂直距离的总能的变对比，可以分析碱金属原子与基底的相互作用竭区和积累区。如图 3.4 所示，电子耗尽区主要极其有利的。因此，锂（钠）原子在 3 和 8 位置所以在 Li(Na)原子上方均出现了一个明显的黄色 Li(Na)转移到基底 InP3单层。值得思考的是在P3广泛。随着原子半径的增加（Na>Li），电子与转移更多的电子到基底 InP3单层。因此，我们进Li 和 Na 原子分别向基底 InP3单层转移了 0.22InP3单层上的。(b)(c)

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