Li在石墨烯、BC_x及C_xN表面吸附和迁移的第一性原理研究

发布时间：2017-12-28 03:00

  本文关键词：Li在石墨烯、BC_x及C_xN表面吸附和迁移的第一性原理研究　出处：《内蒙古科技大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：锂离子电池不仅应用于各类便携式电子设备，同时也是电动汽车电源和新能源储能的潜在选择。众多的实验和理论计算表明，硼、氮掺杂石墨烯纳米材料作为锂电池的负极材料具有较高比容量和良好的充放电特性。不同硼碳比例的化合物显现出不同的储锂比容量。氮原子的含量不仅会显著影响石墨烯的电化学性能而且也会影响担载锂离子的能力。 为了说明硼碳化合物具有高储锂容量以及氮碳化合物具有良好充放电循环特性的原因，本文主要运用第一性原理探讨了锂在石墨烯、BCx和CxN化合物表面的吸附能力和迁移行为。主要开展了以下几个方面的研究工作：首先对锂在不同尺寸本征石墨烯表面的吸附特性和迁移行为进行了研究，随后对锂在B、N掺杂石墨烯衍生物体系（BC3、BC7、BC5及C3N、C7N、C5N）表面的吸附和迁移行为进行了计算。通过以上计算得到的主要结论如下： （1）覆盖度为1/32ML及高于1/32ML的石墨烯构型均可作为石墨烯吸附单个Li原子的稳定构型。Li在4×4和（33×33）R30°石墨烯表面的扩散能垒分别为0.336eV和0.344eV。 （2）Li原子在BC3、BC7、BC5表面最稳定吸附位对应的吸附能分别为3.086eV，3.564eV，3.756eV（3.706eV）。Li原子在C3N、C7N、C5N表面最稳定吸附位对应的吸附能分别为0.978eV，1.283eV，1.070eV（1.022eV）。与本征石墨烯相比，硼含量为25at.%，12.5at.%，16.67at.%时形成缺电子体系，提高了Li的吸附能，而氮含量为25at.%，12.5at.%，16.67at.%时形成富电子体系，减弱了Li的吸附能。不同硼（氮）碳比例的单层化合物对Li的整体吸附结合能力是按照BC5BC7BC3和C7NC5NC3N顺序排列。 （3）Li在BC3表面沿最可能扩散路径的正、反向扩散能垒分别为0.362eV和0.455eV，而在C3N表面则分别为0.191eV，0.348eV，硼含量为25at.%的石墨烯减弱了Li的扩散，氮含量为25at.%的石墨烯促进了Li的扩散。 （4）Li在BC7表面沿最可能扩散路径的正、反向扩散能垒分别为0.375eV、0.358eV、0.318eV和0.385eV，而在C7N表面分别为0.053eV、0.189eV、0.121eV和0.248eV。同样的，硼含量为12.5at.%的石墨烯减弱了Li的扩散，氮含量为12.5at.%的石墨烯促进了Li的扩散。 （5）Li在BC5表面沿最可能扩散路径的正、反向扩散能垒均为0.345eV，而在C5N表面仅为0.074eV。Li在硼含量为16.67at.%的石墨烯表面的扩散能力与其在石墨烯表面基本相同。氮含量为16.67at.%的石墨烯促进了Li的扩散。 Li在BC3、BC7、BC5表面的吸附能都高于其在本征石墨烯表面的吸附能，这也为吸附更多的Li原子提供了必要条件，这使得具有三种不同硼碳比例的化合物都具有比较高的储锂量。相比于BC7和BC5而言，Li在硼含量较高的BC3表面各个对应吸附位点的吸附能是最低的，进而说明并非硼的含量越高储Li量越高，而是会存在一个比较合适的硼含量使得Li的存储量达到最大，如BC5。而对于单层C3N、C7N、C5N化合物而言，氮的含量越高，Li与对应体系的结合越不稳定，越不利于储存更多的Li。Li在C3N、C7N、C5N表面的扩散能垒均低于其在本征石墨烯表面的扩散能垒，使得扩散更容易进行，这说明了为什么掺氮石墨烯具有良好的充放电循环特性。
[Abstract]:Lithium-ion batteries are not only used in all kinds of portable electronic devices, but also a potential choice for electric vehicle power and energy storage of new energy. Numerous experiments and theoretical calculations show that boron and nitrogen doped graphene nanomaterials as the negative electrode materials of lithium batteries have higher specific capacity and better charge discharge characteristics. The compounds with different boron and carbon ratios show different lithium storage capacity. The content of nitrogen atoms will not only affect the electrochemical performance of graphene, but also affect the ability of carrying lithium ion.
【学位授予单位】：内蒙古科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912

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本文编号：1344270