锂离子电池层状电极材料晶格动力学的第一性原理研究

发布时间：2017-10-01 08:10

  本文关键词：锂离子电池层状电极材料晶格动力学的第一性原理研究

  更多相关文章： 层状材料 第一性原理 密度泛函微扰理论 晶格振动 声子谱 热力学量

【摘要】：基于密度泛函理论(DFT)的电子结构计算,完美地解释了许多材料的物理和化学性质,而且在材料性能预测及功能设计方面作用日益突出。可是到目前为止在锂离子电池电极材料的计算和模拟中,大量的计算都集中在材料的基态(0K)性质上,而锂离子电池通常工作在有限温度下,此时材料的结构将与其基态结构有所区别。温度对于电极材料的结构影响很大,而温度的影响主要体现在材料热力学性质上。另外,锂离子电池电压理论计算值常常与实验值有一定的误差,其主要原因是计算中没有考虑熵的影响,而熵是材料一个很重要的热力学参数。综上,我们可以发现,对电极材料在实验中获得的现象和数据进行理论模拟,热力学性质是必需考虑的。本文以此为切入点,考虑了晶格振动,研究了层状材料的晶格动力学性质以及其热力学性质(如赫姆霍兹自由能,振动熵和热容)。一方面,我们研究了锂离子电池一元层状正极材料LiMO2(M=Co Ni Mn)的晶格动力学性质,分析其声子色散曲线特性,从原子尺度了解其晶格振动的特征,并将理论计算的热力学量与已有的实验数据进行对比,验证了我们计算的结果。另一方面,我们研究了二维层状材料氢化硅烯和氢化锗烯在不同应变条件下的结构稳定性和热力学性质,发现二维层状材料在拉应变下能保持结构相对稳定,而在压应变作用下变得不稳定,声子谱出现虚频,且虚频大小会随压应变的增大而增大。基于在拉应变下稳定的体系,我们考虑了拉应变对体系的热力学量的影响,发现热力学量与拉应变关系不大。
【关键词】：层状材料 第一性原理 密度泛函微扰理论 晶格振动 声子谱 热力学量
【学位授予单位】：江西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-6
• 第一章 绪论6-12
• 1.1 引言6-7
• 1.2 锂离子电池的工作原理及其优缺点7-9
• 1.3 锂离子电池电极材料简介9-10
• 1.4 本论文研究的意义10-12
• 第二章 晶格振动理论计算基础和晶体的热力学模型简介12-21
• 2.1 晶格动力学理论计算基础12-17
• 2.1.1 密度泛函微扰理论：基于电子结构的晶格动力学理论12-14
• 2.1.2 密度泛函理论14-15
• 2.1.3 声子色散计算15-17
• 2.2 晶体的热力学函数17
• 2.3 声子色散和热力学性质计算的操作过程17-21
• 2.3.1 Quantum-ESPRESSO17-18
• 2.3.2 VASP&Phonopy18-21
• 第三章 锂离子电池一元层状正极材料的晶格动力学和热力学性质21-31
• 3.1 LiMO_2 (M=Co Ni Mn)的晶格动力学性质21-29
• 3.1.1 计算参数21-22
• 3.1.2 LiMO_2(M=Co Ni Mn)的晶体结构22-25
• 3.1.3 LiMO_2(M=Co Ni Mn)的晶格振动谱25-29
• 3.2 LiMO_2(M=Co Ni Mn)的热力学性质29-31
• 第四章 氢化硅烯和氢化锗烯在应变作用下的晶格动力学和热力学性质31-38
• 4.1 氢化硅烯和氢化锗烯的原子结构模型32-34
• 4.2 氢化硅烯和氢化锗烯的声子色散曲线34-36
• 4.3 氢化硅烯和氢化锗烯的热力学性质36-38
• 结论38-39
• 参考文献39-43
• 致谢43-44
• 在读研期间公开发表论文（著）即科研情况44

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本文编号：952327