当前位置:主页 > 科技论文 > 电力论文 >

锂离子电池电极材料改性机理的第一性原理研究

发布时间:2018-07-14 21:47
【摘要】:本论文以密度泛函理论为基础,采用第一性原理计算方法,探索了两种锂离子电池电极材料的改性机理,并为实验结果分析提供理论依据。其主要的内容包括:Li_4Ti_5O_(12)负极材料中本征缺陷和锌杂质的稳定性研究以及这些点缺陷对锂离子扩散的影响;α-Mn O_2·x H2O正极材料中锂离子嵌入特性和扩散动力学性能研究。对于Li_4Ti_5O_(12)负极材料,本论文采用缺陷形成能的计算公式,系统地分析其所有本征缺陷的稳定性,并研究这些本征缺陷对Li_4Ti_5O_(12)的几何结构、电子结构和锂离子扩散的影响。结果表明在富氧的条件下,VTi和LiTi的缺陷形成能是最低的,这意味着它们能够在钛酸锂晶体中大量存在;在缺氧的条件下制备钛酸锂样品的时候,Tii和TiLi就成为钛酸锂晶体中的主要缺陷,并形成n-型掺杂。由于氧离子与钛离子之间的强相互作用,本征缺陷会对钛酸锂晶体产生结构畸变,从而阻碍锂离子的扩散。对于锌掺杂钛酸锂,在富氧的条件下,晶体中会形成双电子受主缺陷ZnTi;但是在缺氧的条件下,ZnLi和Zni缺陷比ZnTi变得更稳定,而且锌离子更倾向于取代8a的锂离子位置,这从根本上证实了锌掺杂钛酸锂提高循环性能、降低容量的实验结果。另外,本论文利用第一性原理方法,深入地探索正极材料α-Mn O_2·x H2O中锂离子存储和扩散的特性。结果表明:当α-Mn O_2晶体结构中不含水分子的时候,即x=0,其为反铁磁构型且具有绝缘体的性质,不利于锂离子扩散和电子传输;当锂离子嵌入α-Mn O_2的浓度等于6.25 at%的时候,锂离子倾向于均匀分布且呈现出铁磁性;当浓度增大到12.5 at%的时候,相邻通道中的锂离子通过相互作用是整个体系呈现出反铁磁性;当水分子进入到α-Mn O_2的晶体结构中后,水分子通过范德华力聚集在同一通道中,既能够稳定α-Mn O_2的结构,也能够提高其电子电导率和促进锂离子的扩散,揭示了水分子对α-Mn O_2的改性机理。
[Abstract]:Based on density functional theory (DFT), the modification mechanism of two kinds of lithium ion battery electrode materials is explored by using first-principle calculation method, and the theoretical basis is provided for the analysis of experimental results. The main contents include the study on the stability of intrinsic defects and zinc impurities and the effect of these defects on the diffusion of lithium ions, and the study on the intercalation characteristics and diffusion kinetics of lithium ions in 伪 -Mn O _ 2x H _ 2O cathode materials. For Li4Ti5O12 negative electrode materials, the stability of all intrinsic defects is systematically analyzed by using the formula of the formation energy of defects, and the effects of these defects on the geometric structure, electronic structure and lithium ion diffusion of Li4Ti5O12 are studied. The results show that the formation energy of VTi and LiTi defects is the lowest under the condition of oxygen enrichment, which means that they can exist in large quantities in lithium titanate crystals. In the preparation of lithium titanate samples under anoxic conditions, Tii and TiLi become the main defects in lithium titanate crystals and form n-type doping. Due to the strong interaction between oxygen ions and titanium ions, intrinsic defects will distort the structure of lithium titanate crystals, thus hindering the diffusion of lithium ions. For zinc doped lithium titanate, a double electron acceptor defect ZnTi3 is formed in the crystal under oxygen-enriched conditions, but the ZnLi and Zni defects become more stable than ZnTi in anoxic condition, and zinc ions tend to replace the lithium ion position for 8 years. This basically confirms the experimental results of zinc doped lithium titanate to improve the cycling performance and reduce the capacity. In addition, the characteristics of lithium ion storage and diffusion in the cathode material 伪 -Mn O 2O 2 x H 2O are investigated by the first principle method in this paper. The results show that when there is no water molecule in the crystal structure of 伪 -Mn O _ 2O _ 2, that is, XN _ 0, which is an antiferromagnetic configuration and has the properties of insulator, it is not conducive to lithium ion diffusion and electron transport, and when the concentration of lithium ion embedded in 伪 -Mn _ 2O _ 2 is 6.25 at%, Lithium ions tend to uniformly distribute and exhibit ferromagnetism; when the concentration increases to 12.5 at%, the lithium ions in the adjacent channels exhibit antiferromagnetism through interaction; when the water molecules enter the crystal structure of 伪 -Mn O 2, the lithium ions in the adjacent channels exhibit antiferromagnetism, and when the water molecules enter the crystal structure of 伪 -Mn O 2, Water molecules gathered in the same channel through van der Waals force can not only stabilize the structure of 伪 -Mn O _ 2, but also increase its electronic conductivity and promote the diffusion of lithium ion. The mechanism of modification of 伪 -Mn O _ 2 by water molecules is revealed.
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TM912

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 赵健,杨维芝,赵佳明;锂离子电池的应用开发[J];电池工业;2000年01期

2 ;如何正确使用锂离子电池[J];电子科技;2000年09期

3 ;我国第一条现代化锂离子电池生产线在潍坊建成投产[J];电池工业;2001年01期

4 陈洪超;李相东;;锂离子电池原理、研究现状与应用前景[J];军事通信技术;2001年01期

5 ;新型锂离子电池[J];炭素技术;2002年03期

6 朱晓军;;全球最薄锂离子电池[J];家庭电子;2002年03期

7 启明;高容量锂离子电池负极[J];金属功能材料;2003年01期

8 杨捷;锂离子电池的特点与使用[J];现代电视技术;2003年05期

9 周园 ,韩金铎;锂离子电池:机遇与挑战共存——参加“锂离子电池与电动车”研讨会有感[J];盐湖研究;2003年02期

10 石保庆;锂离子电池的必测项目——电池平台[J];中国无线电管理;2003年01期

相关会议论文 前10条

1 许名飞;郭永兴;李新海;吴显明;;锂离子电池气胀问题探析[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年

2 王宏伟;邓爽;肖海清;王超;杨宗辉;施亚申;;锂离子电池误使用的安全检测与分析[A];2011年全国失效分析学术会议论文集[C];2011年

3 刘勇;盘毅;谢凯;芦伟;;锂离子电池的存储性能研究[A];第30届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2013年

4 张俊乾;;锂离子电池中的扩散应力和破坏[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

5 康慨;戴受惠;万玉华;王树安;;我国锂离子电池的研究与发展[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展(上册)[C];2001年

6 张千玉;马晓华;;二甲苯用作锂离子电池过充保护添加剂的研究[A];第二十八届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2009年

7 张千玉;马晓华;;新型锂离子电池过充保护添加剂的研究[A];第二十八届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2009年

8 朱静;于申军;陈志奎;何显能;周永超;李贺;;水分对锂离子电池性能的影响研究[A];第二十八届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2009年

9 崔少华;杨晓民;;圆型锂离子电池渗液不良分析[A];自主创新与持续增长第十一届中国科协年会论文集(2)[C];2009年

10 李琳琳;王斌;吴宇平;T.van Ree;;甲基苯基二-(甲氧二乙基)硅烷用作锂离子电池功能性添加剂的研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第7分册)[C];2010年

相关重要报纸文章 前10条

1 李壮;新国标9月实施锂电池门槛加高[N];中国高新技术产业导报;2005年

2 刘碧玛;动力锂离子电池要抓住发展机遇[N];科技日报;2007年

3 记者 陈颖;深圳锂电产量已占全国六成[N];深圳特区报;2006年

4 实习记者 徐恒邋记者 诸玲珍;锂离子电池安全受关注 新材料研究是热点[N];中国电子报;2008年

5 徐恒 诸玲珍;锂离子电池安全备受关注[N];中国有色金属报;2008年

6 李燕京;锂离子电池国标年内将出台[N];中国消费者报;2008年

7 本报记者 冯健;动力锂离子电池:安全性制约应用[N];中国电子报;2009年

8 新材料在线首席研究员 李国强;锂离子电池产业:中日韩三分天下[N];中国电子报;2004年

9 金信;全国最大的锂离子电池生产基地在津建成[N];中国机电日报;2002年

10 黄新培;业内专家对生产企业提出三点建议[N];中国机电日报;2002年

相关博士学位论文 前10条

1 刘金龙;锂离子电池高性能富锂锰基正极材料的研究[D];复旦大学;2014年

2 刘玉荣;锰基混合型金属氧化物孪生微纳结构的制备、形成机理与储锂性能[D];山东大学;2015年

3 易金;锂离子电池钒基负极材料的研究[D];复旦大学;2014年

4 张千玉;绿色能源材料钛酸锂的改性及其回收再利用的研究[D];复旦大学;2014年

5 袁庆丰;锂离子电池硅基复合负极材料和电池安全性的研究[D];华南理工大学;2015年

6 明海;高容量或高倍率锂离子电池材料的合成与相应全电池的组装研究[D];苏州大学;2015年

7 杨智博;高性能锂离子电池硅/锗电极的设计与制备[D];兰州大学;2015年

8 董汉成;卫星电源电池健康状态诊断方法研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

9 张涛;废弃锂离子电池破碎及富钴产物浮选的基础研究[D];中国矿业大学;2015年

10 张立强;锂离子电池多物理模型参数辨识及健康特征提取[D];哈尔滨工业大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 张涛;失效锂离子电池破碎特性研究[D];华东交通大学;2011年

2 马宇宏;锂离子电池热安全性研究[D];电子科技大学;2013年

3 王会军;过渡金属氧化物和过渡金属硫化物作为锂离子电池负极材料的研究[D];西南大学;2015年

4 任婉;锂离子电池镍—锰二元正极材料的研究[D];华南理工大学;2015年

5 李娟;锂离子电池负极材料Li_4Ti_5O_(12)的制备与研究[D];广东工业大学;2012年

6 玄哲文;微纳结构MnO_2及CuO的制备及作为锂离子电池负极的性能研究[D];云南民族大学;2015年

7 邢程程;原位生长FeS纳米结构薄膜及其在锂离子电池中的应用[D];浙江大学;2015年

8 白钢印;锂离子电池高电压正极材料镍猛酸锂的合成与改性研究[D];昆明理工大学;2015年

9 宋赢;锂离子电池二氧化钛负极材料掺杂改性及电化学行为研究[D];辽宁大学;2015年

10 安平;聚酰亚胺锂离子电池隔膜的制备及其性能研究[D];陕西科技大学;2015年



本文编号:2123055

资料下载
论文发表

本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/2123055.html


Copyright(c)文论论文网All Rights Reserved | 网站地图 |

版权申明:资料由用户b8cb0***提供,本站仅收录摘要或目录,作者需要删除请E-mail邮箱bigeng88@qq.com