锂离子电池高容量Ge负极材料弹性性能的第一性原理研究
发布时间：2021-09-12 08:30
负极材料是锂离子电池重要组成部分,目前普遍使用的石墨负极材料,其较低的比容量不能满足当前发展需求,锗材料由于拥有高容量、高电导率以及高倍率性能等优势吸引了人们的注意,但它也存在明显力学缺陷:随着充放电过程的进行,锗负极材料会发生大的体积变形（>270%）,从而导致材料的失效破坏,引发其电化学性能退化。虽然目前针对这一问题的改进研究有很多,但锗负极材料随着锂化过程发生破坏失效的机理并不明朗,要解决锗负极材料性能衰退问题,对材料力学破坏失效的研究非常必要。而这一方面的研究非常缺乏,只有极少数研究被报道。本文基于第一性原理方法,建立了锗材料不同锂含量的相变锂化模型,旨在明确高容量锗负极材料锂化过程中的弹性性能演化规律及失效破坏机理,在弹性限度内研究了锂锗合金随着锂含量增加的力学性能变化,并对锂化过程中化学键的变化,电荷转移情况等进行了分析;在施加大的应变载荷下,研究了锂锗合金的抗变形强度,得到了以下创新性研究成果:（1）随着锗材料锂化过程的进行,形成的Li-Ge合金相均具有热力学稳定性和力学稳定性,并且富锂相更容易生成,其体模量、剪切模量、杨氏模量等弹性性质均随着锂含量的增加呈近似线性...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?ＧｅＮＷｓ锂化相变过程［７５］??
?ｉｌｌ?ＩＩ?ＩＬＬ??图１．２?ＧｅＮＷｓ锂化相变过程［７５］??根据Ｇｅ电极材料锂化相变的现象，Ｍ．Ｐｈａｎ？等建立了相变锂化模型，对Ｇｅ电极??材料锂化过程中弹性力学性能做了研宂，测量了在锂化过程中锗薄膜内部产生的应力。??应力测量结果表明，ＵｃＧｅ相的弹性模量是锂离子浓度的函数，即使是少量的锂插入到??Ｇｅ中，也会导致弹性模量的巨大变化。锂离子浓度的进一步增加会导致弹性模量的逐渐??变化，表明与纯Ｇｅ相比，其刚度大大降低。此外，还观察到较薄的锗薄膜在锂化和脱??锂的循环中性能保持了下来，而较厚的薄膜则发生了断裂。??８００，?．?．．．?Ｉ?．．．．?Ｉ?Ｉ?．?｜?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?｜?Ｉ?Ｔ７?Ｔｆｌ－Ｉ?Ｉ?．?｜?，?Ｉ?Ｉ?，?．?Ｉ?．?Ｉ??６００－?－??！３??＾?－４００?＼?＾?－??６〇０?｜＝３°Ｓ?Ｉ?：??－８００?－?—１１６０?ｎｍ?￣??＊１?ＯｆｌＯ?ｉｉｉｉｌｉｉｉｉｌｉｉｉｉｌｉｉｉｉｌｉｉｉｉｌｉｉｉｉｌｉｉｉｉｌｉｉｉｉ??＂?０?０．５?１．０?１．５?２．０?２．５?３．０?３．５?４．０??ｘｉｎＬｉｘＧｅ??图１．３各种厚度的Ｇｅ薄膜应力作为锂离子浓度的函数。对于较厚的薄膜来说
锂嵌入后，初始Ｇｅ晶体经历了两步相变过程：形成中间相ＬｉＡ．Ｇｅ和最终晶相??Ｌｉ１５Ｇｅ４。纳米孔是在脱锂过程中形成的，涉及到锂萃取产生的空位的聚集。对具有可逆??多孔结构的Ｇｅ纳米线进行了快速循环实验。图１．５是ＧｅＮＷ在循环过程中的微观结构??演变（ａ－ｈ），在连续四次脱嵌锂循环中可逆体积的变化。在每一次锂化过程中，纳米线都??被加粗，呈晶态对比（３，＾名）。每次脱锂后，纳米线收缩形成多孔，呈现非晶态对比〇），狀１１），??纳米孔的位置和分布几乎没有变化。??２ｎｄ?ｌｉｔｈｉａｔｅｄ?２ｎｄ?ｄｅｌｉｔｈｉａｔｅｄ?ｊＡ??３，ｄ?ｍｈｌａｔｅｄ?３ｆｄ?ｄｅｌｉｔｈｉａｔｅｄ??４，ｈ?ｌｉｔｈｉａｔｅｄ?＾?４ｔｈ?ｄｅｌｉｔｈｉａｔｅｄ??Ｋ?５－Ｍｉｔｈｌａ．ｅｃｌ?遍?．?ｆｆ？ｄｅｌ?隨?ｅｄ??一??图１．５?ＧｅＮＷ在循环过程中的微观结构演变（ａ－ｈ）ｌ？??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Lithiation-enhanced charge transfer and sliding strength at the silicon-graphene interface:A first-principles study[J]. Cheng Chang,Xiaoyan Li,Zhiping Xu,Huajian Gao. Acta Mechanica Solida Sinica. 2017(03)
[2]物理截断与电子局域函数结合法研究非晶态结构中的原子成键[J]. 王鑫洋,陈念科,王雪鹏,张斌,陈志红,李贤斌,刘显强. 物理学报. 2016(17)
[3]二氧化锡/石墨复合负极材料制备与电化学性能[J]. 周永涛,杨学林,黄晨,石长川,温兆银. 电源技术. 2014(06)
[4]石墨烯/硅负极材料的制备及其电化学性能的研究[J]. 杜霞,薛卫东,赵睿,陈野川. 化工科技. 2013(05)
[5]锂离子电池中的尺寸效应与表界面问题研究[J]. 李泓,王兆翔,黄学杰,陈立泉. 物理. 2008(06)
[6]LiAl中空位形成能的第一原理计算[J]. 陈丽娟,侯柱锋,朱梓忠,杨勇. 物理学报. 2003(09)
[7]锂电池负极材料CuSn的电子和几何结构[J]. 吴良根,李爱玉,朱梓忠. 化学物理学报. 2003(03)
[8]锂离子电池负极材料CuSn的Li嵌入性质的研究[J]. 侯柱锋,刘慧英,朱梓忠,黄美纯,杨勇. 物理学报. 2003(04)
本文编号：3393899
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?ＧｅＮＷｓ锂化相变过程［７５］??
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锂嵌入后，初始Ｇｅ晶体经历了两步相变过程：形成中间相ＬｉＡ．Ｇｅ和最终晶相??Ｌｉ１５Ｇｅ４。纳米孔是在脱锂过程中形成的，涉及到锂萃取产生的空位的聚集。对具有可逆??多孔结构的Ｇｅ纳米线进行了快速循环实验。图１．５是ＧｅＮＷ在循环过程中的微观结构??演变（ａ－ｈ），在连续四次脱嵌锂循环中可逆体积的变化。在每一次锂化过程中，纳米线都??被加粗，呈晶态对比（３，＾名）。每次脱锂后，纳米线收缩形成多孔，呈现非晶态对比〇），狀１１），??纳米孔的位置和分布几乎没有变化。??２ｎｄ?ｌｉｔｈｉａｔｅｄ?２ｎｄ?ｄｅｌｉｔｈｉａｔｅｄ?ｊＡ??３，ｄ?ｍｈｌａｔｅｄ?３ｆｄ?ｄｅｌｉｔｈｉａｔｅｄ??４，ｈ?ｌｉｔｈｉａｔｅｄ?＾?４ｔｈ?ｄｅｌｉｔｈｉａｔｅｄ??Ｋ?５－Ｍｉｔｈｌａ．ｅｃｌ?遍?．?ｆｆ？ｄｅｌ?隨?ｅｄ??一??图１．５?ＧｅＮＷ在循环过程中的微观结构演变（ａ－ｈ）ｌ？??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Lithiation-enhanced charge transfer and sliding strength at the silicon-graphene interface:A first-principles study[J]. Cheng Chang,Xiaoyan Li,Zhiping Xu,Huajian Gao. Acta Mechanica Solida Sinica. 2017(03)
[2]物理截断与电子局域函数结合法研究非晶态结构中的原子成键[J]. 王鑫洋,陈念科,王雪鹏,张斌,陈志红,李贤斌,刘显强. 物理学报. 2016(17)
[3]二氧化锡/石墨复合负极材料制备与电化学性能[J]. 周永涛,杨学林,黄晨,石长川,温兆银. 电源技术. 2014(06)
[4]石墨烯/硅负极材料的制备及其电化学性能的研究[J]. 杜霞,薛卫东,赵睿,陈野川. 化工科技. 2013(05)
[5]锂离子电池中的尺寸效应与表界面问题研究[J]. 李泓,王兆翔,黄学杰,陈立泉. 物理. 2008(06)
[6]LiAl中空位形成能的第一原理计算[J]. 陈丽娟,侯柱锋,朱梓忠,杨勇. 物理学报. 2003(09)
[7]锂电池负极材料CuSn的电子和几何结构[J]. 吴良根,李爱玉,朱梓忠. 化学物理学报. 2003(03)
[8]锂离子电池负极材料CuSn的Li嵌入性质的研究[J]. 侯柱锋,刘慧英,朱梓忠,黄美纯,杨勇. 物理学报. 2003(04)
本文编号：3393899
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