二次离子电池低维电极材料电化学特性研究

发布时间：2020-10-27 02:44

　　 锂离子电池在各个领域已经得到广泛应用,但仍不能满足大规模储能需要。开发新型锂离子电池材料和发展新型二次电池技术具有重要的科学意义和实用价值。二维材料具有比表面积大、高电子迁移率、高热稳定性和化学稳定性等优点,在二次离子电池领域具有广泛的应用前景。本文采用了密度泛函理论研究方法系统研究二维材料中缺陷和掺杂对离子吸附和扩散的影响,提出缺陷增强离子在二维半导体材料上的吸附及扩散方法,并研究了电化学诱导结构相变机理,同时预测了几种新型二次电池电极材料。1、采用第一性原理方法系统研究了27种二维单层过渡金属硫族化物MX_2(M=Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Mo,Cr,W;X=S,Se,Te)的结构稳定性以及其作为锂离子电池电极材料的电化学。结果表明:NbX_2和TaX_2的2H结构更稳定;TiX_2,VX_2,VSe_2,CrX_2,ZrX_2和HfX_2的1T结构更稳定;VS_2的2H和1T结构都稳定;MoTe_2和WTe_2的2H和1T’结构都稳定。Li在稳定结构上的吸附能的范围是-3.4 eV~-0.5 eV,扩散能垒的值大部分都约为0.25 eV。另一方面一般带隙越小,吸附性能越好,这些结果表明单层1T-VSe_2,CrX_2更适合做离子电池负极材料。2、采用密度泛函理论研究了单层2H-MoS_2中缺陷(包括单原子空位、多原子空位、反位缺陷和晶界)及掺杂对锂的吸附和扩散的影响。结果表明:(1)缺陷(单原子空位、多原子空位、反空位缺陷和晶界缺陷)都能增强锂的吸附,同时增加了扩散能垒,但扩散能垒的范围仍然保持在0.26 eV~0.42 eV.(2)不论是金属替代Mo原子,还是非金属替代S原子的掺杂结构中,掺杂原子附近Li的吸附能大大降低,同时掺杂并没有使扩散能垒增加。3、采用密度泛函理论研究了石墨烯和黑磷烯中缺陷对Na的吸附和扩散性能的影响,结果表明:石墨烯和黑磷烯中点缺陷和晶界增强了Na的吸附性能。另一方面,Na在晶界石墨烯上扩散能垒的范围是0.09 eV~0.35 eV,比Li在晶界石墨烯上的扩散能垒0.16 eV~0.41 eV小。单层黑磷烯中缺陷的存在虽然使得Na的扩散性能有所下降,但是SW1,SW2和MV2缺陷的扩散系数仍然比原始黑磷烯的扩散系数小很多。4、利用密度泛函理论研究了嵌锂/钠诱导二维MoS_2结构相变机理。结果表明:插入额外电子之后,2H-结构表现出半导体的特性,1T-结构表现出金属特性。注入的电子或来自夹层的离子占据Mo的4dz~2轨道,引起Mo-S键之间失去电荷,使得2H结构不再稳定;与之相反,1T'-MoS_2的Mo-S键并未丢失电荷。电子的插入使2H-MoS_2的晶体结构变得不稳定,而且使其向1T'-MoS_2结构相变;另外,2H-结构到1T-结构的相变临界浓度随着层数的减少而减小。本研究表明电子转移是相变的起源,这在理论上解释了充放电过程中结构之间发生相变的微观机理,为研发更稳定,更安全的离子电池负极材料提供科学的理论指导。电子掺杂是诱导MoS_2结构相变的微观机制。5、利用密度泛函理论预测其他新型二维二次电极材料。Li、Na和Mg在单层SnO材料上表现出很强的吸附稳定性和低的扩散能垒,能垒分别为0.31 eV、0.24 eV和0.21 eV,而且吸附Li、Na和Mg之后体积变化较小。在单层Cu_2Si上,Li/Na的吸附能约为-2.5 eV,Li/Na沿着三条扩散路径的扩散能分别为0.29/0.23 eV、0.15/0.11 eV和0.24/0.22 eV。另一方面,当Li/Na吸附在单层Cu_2Si上时表现出好的充放电电压。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM912;O641.1;O77
【部分图文】：

图 2-1 MoS2的三种结构的原子结构的俯视图和侧视图。（a）2H-MoS2结构的俯视图和侧视图；（b）1T- MoS2结构的俯视图和侧视图；（c）1T'-MoS2结构的俯视图和侧视图2.2建模方法本章所有的计算都是在 SIESTA[98]软件中基于自旋密度泛函理论得到的。采用交换关联泛函的广义梯度泛函之一的 PBE 泛函的形式和缀加平面波的方法来描述电子-离子间的相互作用。由于局域密度近似下得到的晶格常数和能带结构近似相等，因此整个计算过程仅采用了广义梯度近似。电子被描述成模守恒Troullier-Martins 赝势，而且采用双精度基组和极化来展开价电子波函数，截断能取为 250 RY。在对原胞进行结构优化时，使用 Monkhorst-Pack 方法在布里渊区内选取11×11×1 K 点，为避免层间耦合作用的影响，选取层间距为 20 。由于电化学过程涉及将锂离子插入到负极材料中，同时有电子流来补偿电荷平衡，因此本文考

14图 2-2 单层 MX2的能带图，费米能级设为 0。（a）1T-TiS2的能带图；（b）1T-TiS的能带图; （c）1T-TiTe2的能带图；（d）2H-VS2的能带图；（e）1T-VS2的能带图；（f）1T-VSe2的能带图；（g）1T'-VTe2的能带图；（h）1T-CrS2的能带图；（i）1T-CrSe2的能带图；（j）1T-CrTe2的能带图；（k）1T-ZrS2的能带图；（l）1T-ZrSe2的能带图；（m）1T-ZrTe2的能带图；（n）2H-NbS的能带图；（o）2H-NbSe2的能带图；（p）2H-NbTe2的能带图；（q）2H-MoS的能带图；（r）2H-MoSe2的能带图；（s）1T-MoTe2的能带图；（t）1T'-MoT的能带图；（u）1T-HfS2的能带图；（v）1T-HfSe2的能带图；（w）1T-HfT的能带图；（x）2H-TaS2的能带图；（y）2H-TaSe2的能带图；（z）2H-TaT的能带图；（ ）2H-WS2的能带图；（β）2H-WSe2的能带图；（γ）2H-WT的能带图；（ ）1T'-WTe2的能带图

在单层 MX2三种结构上的吸附位置以及扩散路径。（a）Li 在单层 2H的扩散路径；（b）Li 在单层 1T-MX2结构上的扩散路径；（c）Li 在单层 1上的扩散路径；（d）Li 在单层 2H-MoS2结构上的扩散能垒；（e）LiTiS2结构上的扩散能垒；（f）Li 在单层 1T'-MoTe2结构上的扩散能垒
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本文编号：2857906