硅—石墨烯复合锂电极材料的嵌锂机制研究

发布时间：2020-06-05 21:32

【摘要】：锂离子电池(LIBs)由于其工作电压高、容量大、可重复充放电等优势,已经被广泛的应用到日常生活的各个领域。作为自然界中丰富的元素,硅拥有着比其他负极材料更高的理论容量,达到4200mAhg~(-1)。但是,在实际应用过程中,硅存在一个巨大的缺陷,那就是在循环充放电的过程中会出现很大的体积变化。这变化使得硅颗粒粉碎并脱离跟电极片的接触,并且难以维持固态电解质间的稳定,迅速导致容量衰减和缩短循环的寿命。于是开始将硅材料制成各种纳米尺度:纳米颗粒、纳米线和纳米管,然后将这些纳米结构嵌入碳笼中形成硅核心碳壳复合结构,这样就有空间来缓解充放电过程中的体积膨胀。石墨烯(Graphene)由于其原子厚度的二维晶体结构、独特的电子结构、高机械强度、高的表面积和优良的电子传导率,对硅碳复合材料来说是极好的碳源。本文通过第一性原理计算模拟,首先系统研究了硅碳复合结构下的Graphene-Si复合结构作为锂电池负极材料时,锂离子在表面的吸附情况,以及锂离子的迁移和扩散规律和复合材料的嵌锂机制。基于结合能、电荷转移以及电荷差分密度的计算结果,发现锂离子更愿意吸附在复合材料Gra/Si系统中。计算出的系统中锂的均方位移和扩散系数说明锂离子在Gra/Si系统中更容易扩散。结果表明,石墨烯的加入能明显增强硅作为高容量锂电池负极材料的电化学性能。此外,还研究了系统产生不可逆容量的原因。系统嵌满锂后,在石墨烯与硅的界面处,Li-Si和Li-C的键长明显比可逆结构中的键长更短,硅膨胀到最后和石墨烯层也形成了Si-C键,这个现象也在径向分布函数中有发现。这些更短的键说明原子之间作用力较强,从而形成相对稳定的不可逆结构。研究复合材料在原子尺度的嵌锂机制,现阶段对于实验来说很困难。第二部分通过第一性原理计算的态密度、径向分布函数、形成能和电压曲线结果显示,锂原子在硅含量更高的复合结构中结合的更好,这和实验是相吻合的。然后进一步研究了产生系统不可逆容量的机理,发现形成的Si-C键和石墨烯附近的Li-C键是产生不可逆容量的原因。对不同硅含量结构在嵌锂之后的可逆容量进行了预测,并得到了实验的验证。本文中的相关研究及计算分析方法可以用来评估和设计纳米复合负极材料。
【图文】：

锂电池,集成度,应用领域

石化能源的匮乏和其带来的日益严重的环境问题，让人们意识到开能、水能等绿色可再生能源的必要性，同时也对能源的高效利用展究工作，其中锂电池的开发便是重点之一[1-4]。放电的锂电池之所以能在近些年吸引到研究人员的注意是因为其域，，比如笔记本、移动电子产品、混合电动车和电动汽车。相比于次电池，锂电池拥有着高使用寿命、高工作电压、高能量密度、体度范围大等优势[5-10]。标准的锂电池包括正负两个电极片，当充电子从正极嵌入到负极，放电的时候从负极脱离，回到正极。相比提极材料，作为储存锂离子的负极显得尤为重要，材料的能量密度直容量高低，结构特性直接影响到电池的性能。现在商用的锂电池负用石墨，因为其资源丰富，而且成本很低。但是传统的石墨电极已会发展的需求，相对较低的能量密度（372mAhg-1）和充放电过程造成的安全问题限制了石墨作为负极材料的进一步发展[11-17]。在这找一种低成本、高安全性、高使用寿命和高能量密度的负极材料，究人员的热点。

扣式电池,锂离子电池

异的电极材料。组成的锂离子电池的组件一般都采用已经商用的成熟产壳；或者对现有工业常用材料进行简单的加工后使用加工成符合要求的圆片状，可以用来作为锂离子模拟组装的扣式锂离子电池中的电池壳，为工业常用的、CR2025、CR2016 等多种。具体型号的选择则根据的负极为锂金属，R 代表电池外形为圆形，后面的四单位毫米，后两位除以 10 就为电池厚度，单位也是则表示直径为 20mm，厚度为 3.2mm 的圆形锂电池壳
【学位授予单位】：温州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912

【参考文献】