色散力修正的密度泛函理论研究锂离子电池有机电极材料

发布时间：2017-08-12 21:05

  本文关键词：色散力修正的密度泛函理论研究锂离子电池有机电极材料

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【摘要】：随着电动汽车和各种新型便携式电子产品等领域的快速发展,具有较长的循环寿命、较高的工作电压和无记忆性等优点的锂离子电池已被广泛使用。传统的锂离子电池正极材料大多基于昂贵的、不可再生的过渡金属无机化合物。此外,合成和回收无机化合物时需高温,会释放出大量的CO2,污染环境。当前,以有机化合物为基础的电极材料很受关注,主要是因为有机材料重量轻,灵活性好,自然资源丰富,以及低污染。通过使用有机化合物来发展可持续可再生的电极材料,旨在设计绿色的电化学存储设备。目前,许多有机电极材料已被报道。其中,具有结构多样性、分子水平可控性和高理论比容量等优点的有机共轭羰基化合物已被广泛用于锂离子电池。随着密度泛函理论模型和泛函类型的不断发展,密度泛函理论已经逐渐成为一种非常有效的计算方法。然而,传统的密度泛函理论不能准确地描述分子间的长程色散力。因此,本论文的研究点之一,就是在密度泛函理论框架下,对主要的一些包含色散修正的密度泛函理论方法进行讨论,从而找出能够准确地计算有机材料性能的最佳理论方法。在此基础之上,运用色散修正的密度泛函理论方法来研究多种有机共轭羰基化合物的性能,从而找出最优的有机电极材料的结构特点,为实验做指导。本论文共有五章组成,其具体内容如下:第一章综述了锂离子电池的发展历史和工作原理,紧接着介绍了锂离子电池的正极材料,重点提出了几种很重要的无机正极材料的优点和不足。此外,重点介绍有机正极材料的历史和四大类有机电极材料的发展,尤其介绍了共轭羰基类化合物。然后,介绍密度泛函理论在锂离子电池领域的应用。最后介绍了本论文的主要工作和创新点。第二章综述了第一性原理计算,介绍了密度泛函理论模型的发展,紧接着介绍了密度泛函对色散力的修正。然后介绍了密度泛函对于锂离子电池电极材料的研究。最后介绍了本论文计算所采用的软件包。第三章采用几种密度泛函研究了有机含共轭羰基的锂盐材料,通过对材料进行结构优化,进而比较各种计算得到的几何结构参数,以实验的数值为标准;再结合计算得到的嵌锂电势和实验值做对比,从而选出最合适的色散修正密度泛函理论方法。最后研究材料的电子结构,分析材料的导电性。第四章提出了一种共轭氰基有机化合物,运用上章所得出的色散修正密度泛函方法对该材料进行了结构优化,嵌锂电势以及电子结构的计算;此外,研究锂离子的扩散路线,分析材料的脱/嵌锂机理。第五章基于合适的色散修正密度泛函方法随机计算了四十种有机材料,研究它们的理论容量、理论电势以及脱/嵌锂状态的带隙值,从而找出最理想的有机候选材料的条件,为实验材料做理论指导。此外,研究了锂在有机晶体结构中的存在状态,分析材料的性能。论文最后对上述有机共轭羰基材料的电化学性能的色散修正密度泛函方法的研究进行了总结和展望。
【关键词】：密度泛函理论 有机晶体结构 色散力修正 DFT-D 锂离子迁移路线
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 锂离子电池的发展12
• 1.2 锂离子电池工作原理12-13
• 1.3 锂离子电池正极材料13-14
• 1.4 有机正极材料的发展14-22
• 1.4.1 导电聚合物15-16
• 1.4.2 有机硫化合物16-18
• 1.4.3 自由基类化合物18-19
• 1.4.4 共轭羰基类化合物19-22
• 1.5 锂离子电池电极材料的理论计算研究22-23
• 1.6 本论文的研究内容与意义23-25
• 第2章 理论计算研究方法25-35
• 2.1 薛定谔方程25-26
• 2.2 密度泛函理论26-30
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn-Sham密度泛函理论26-29
• 2.2.2 自洽计算29
• 2.2.3 局域密度近似和广义梯度近似29-30
• 2.3 色散力的修正30-32
• 2.3.1 DFT-D2方法31-32
• 2.3.2 vdW-DF方法32
• 2.4 电压和形成能32-33
• 2.5 VASP程序包33-35
• 第3章 一种乙氧羰基类有机电极材料Li_2C_(18)O_8H_(12)·4H_2O的理论研究35-45
• 3.1 引言35
• 3.2 计算方法35-36
• 3.3 结果与讨论36-44
• 3.3.1 晶体几何结构36
• 3.3.2 平均电势36-41
• 3.3.3 电子结构41-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 一种共轭氰基类有机电极材料C_(12)H_4N_4的理论研究45-55
• 4.1 引言45
• 4.2 计算方法与几何结构45-46
• 4.3 结果与讨论46-54
• 4.3.1 平均电势46-47
• 4.3.2 脱/嵌锂的几何结构47-48
• 4.3.3 电子结构48-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第5章 有机共轭羰基类电极材料的理论研究55-71
• 5.1 引言55
• 5.2 计算方法55
• 5.3 结果与讨论55-69
• 5.3.1 平均电势55-60
• 5.3.2 理论容量60-61
• 5.3.3 能带61-65
• 5.3.4 晶体结构内的Li-O键65-66
• 5.3.5 脱嵌锂的总态密度DOS66-68
• 5.3.6 有机材料NUXGOC和NUXGIW68-69
• 5.4 本章小结69-71
• 结论71-73
• 参考文献73-79
• 附录79-85
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文85-87
• 致谢87

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