锂离子电池负极材料储锂机制的第一性原理研究

发布时间：2017-09-30 03:30

  本文关键词：锂离子电池负极材料储锂机制的第一性原理研究

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【摘要】：锂离子电池(LIBs)因为其高可逆容量、高能量密度和很好的循环性能已被广泛用于各种便携式电子设备和电动设备。随着经济社会的发展,便携式设备长待机时间和动力设备的大容量需求对锂离子电池的功率、能量密度和充放电速率等性能的实际要求越来越高。目前广泛用于负极的石墨碳基材料由于理论容量较低、倍率性能较差,已经成为制约锂离子电池整体性能的瓶颈,发展新型高效负极材料成为了促进锂离子电池技术快速发展的关键。超薄二维纳米结构由于自身的柔韧性、高表面积及超短离子传输距离,已成为构造高性能电极材料最佳选择。最近,由类石墨材料黑磷剥离出的单层超薄二维结构磷烯,由于其适当的带隙宽度(0.5 eV~1.5 eV)和非常高的载流子迁移率(5000 cm-1V-1s-1),有望成为新型高效锂离子电池电极的备选材料,吸引了众多研究者的关注。本文系统研究了磷烯及其异质结构充放电过程中的结构相变特征、锂离子的迁移和扩散规律以及嵌锂和脱锂机制,分析了缺陷和异质结构对其容量、导电性能、以及循环性能的改善作用,以期为锂离子电池电极材料的设计与优化提供理论指导。主要研究内容如下:1、磷烯中锂离子的扩散规律研究。为了研究磷烯材料用于锂离子电池负极材料的可行性,同时考虑到材料制备中可能出现的材料缺陷问题,系统的研究了锂离子在晶体和空位缺陷磷烯中的吸附及扩散性质。研究发现晶体磷烯具有较高的嵌锂容量(432.79 mAhg-1)、非常快的锂离子槽内扩散速率(Eb=0.09 eV)、充放电时体积改变小等优点。对缺陷磷烯的研究发现,相比于晶体磷烯而言,其电化学性能得到了极大的改善。锂在缺陷磷烯空位附近的结合能比在晶体磷烯中增加了大约1 eV。此外,空位的引进打开了一个新奇的槽间扩散通道,其扩散势垒仅为0.13 eV,这将显著的改善电池的快速充放电能力。2、磷烯/石墨烯异质结构的锂电性能研究。针对导电性差,比容量不足等二维负极材料中广泛存在的问题,系统的研究了磷烯-石墨烯异质结构对单层磷烯电化学性质的改善作用。计算结果表明磷烯-石墨烯异质结不但能够保持在单层中快的锂离子扩散速率,还能显著的提高锂离子的吸附稳定性。另外,对磷烯-石墨烯异质结与单层晶体磷烯的能带结构对比发现,磷烯-石墨烯异质结构的导电性(Eg=0.03 eV)也得到了较大的改善。此外,磷烯-石墨烯异质结展现出了超高的刚度(Cac=350 N/m,Czz=464 N/m),这能够有效的避免在脱、嵌锂过程中导致的电极变形,从而提高电池的循环性能。
【关键词】：第一性原理 磷烯负极 空位 磷烯-石墨烯异质结 充放电性能
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ126.31;TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 锂离子电池发展概况9-11
• 1.1.1 锂离子电池产生及发展9-10
• 1.1.2 锂离子电池的研究现状及发展前景10-11
• 1.2 锂离子电池基本构造及特性11-12
• 1.2.1 锂离子电池的工作原理11
• 1.2.2 锂离子电池的特点11-12
• 1.3 锂离子电池正极材料12-16
• 1.3.1 氧化钴锂（LiCoO_2）13-14
• 1.3.2 氧化镍锂（LiNiO_2）14
• 1.3.3 氧化锰锂（LiMn_2O_4）14-15
• 1.3.4 磷酸铁锂（Li FePO_4）15
• 1.3.5 其它正极材料15-16
• 1.4 锂离子电池负极材料16-19
• 1.4.1 碳基负极材料16-17
• 1.4.2 硅基负极材料17
• 1.4.3 过渡金属硫族化合物负极材料17-18
• 1.4.4 磷烯基负极材料18-19
• 1.5 选题依据和内容19-21
• 第2章 理论方法与基本原理21-25
• 2.1 第一性原理方法21-23
• 2.1.1 波恩-奥本海默（Born-Oppenheimer）近似21
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn定理21-22
• 2.1.3 Kohn-sham方程22
• 2.1.4 交换关联泛函22-23
• 2.2 过渡态理论23-25
• 2.2.1 弹性带方法23-24
• 2.2.2 轻推弹性带方法（NEB）24
• 2.2.3 爬坡弹性带方法（CI-NEB）24-25
• 第3章 晶体磷烯和缺陷的磷烯作为锂离子电池负极材料的第一性原理研究25-34
• 3.1 研究背景25
• 3.2 计算方法与模型25-26
• 3.3 晶体磷烯中锂的吸附和扩散性质26-30
• 3.3.1 晶体磷烯中的锂吸附26-28
• 3.3.2 电子性质28-29
• 3.3.3 扩散性质29-30
• 3.4 缺陷磷烯中锂的吸附和扩散性质30-33
• 3.4.1 单空位缺陷磷烯的结构30
• 3.4.2 单空位缺陷磷烯中的锂吸附30-31
• 3.4.3 电子性质31-32
• 3.4.4 扩散性质32-33
• 3.5 本章小结33-34
• 第4章 磷烯-石墨烯异质结用作锂离子电池负极材料的第一性原理研究34-44
• 4.1 研究背景34
• 4.2 计算方法与模型34-35
• 4.3 磷烯-石墨烯异质结电化学性质的研究35-43
• 4.3.1 磷烯-石墨烯异质结的结构稳定性35-36
• 4.3.2 磷烯-石墨烯异质结中的锂吸附36-37
• 4.3.3 电子性质37-40
• 4.3.4 扩散性质40-42
• 4.3.5 力学性质42-43
• 4.4 本章小结43-44
• 第5章 结论与展望44-46
• 5.1 结论44-45
• 5.2 展望45-46
• 参考文献46-55
• 致谢55-56
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文56

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本文编号：945910