锂离子电池阳极材料石墨烯中锂枝晶形核机制的理论研究

发布时间：2023-01-30 18:12

　　近年来,锂离子电池由于能量密度的增加,被广泛应用在便携式电子设备、电动汽车和各类电源设备等领域。但商业化的锂离子电池中始终存在一些难以克服的问题,诸如:低的库伦效率、循环寿命以及安全性差等。追究其根源,这些问题都归结于锂离子电池充电过程中石墨阳极表面锂原子镀层的持续累积以及锂枝晶的产生。到目前为止,人们已经从锂金属的角度出发,提出了多种抑制再结晶生长的策略。碳材料尤其是石墨烯,由于其具有高孔隙率、良好的化学稳定性和导电率等,在充电过程中可以通过降低局部电流密度和离子极化以实现均匀的锂沉积。但是由于锂原子的极高活性,其在碳材料表面具体的吸附行为和电子性质很难从实验的角度进行探究,锂枝晶的具体形核机制以及实验上采取的抑制措施原理也未有一个清楚的解释。因此本文以双层石墨烯作为研究对象,从原子层次出发,利用第一性原理计算方法,探究石墨烯表面不同缺陷和掺杂类型对锂离子形核的影响,并对锂枝晶抑制机制进行理论分析。主要的研究内容和研究成果如下:（1）石墨烯表面不同缺陷类型对锂离子形核的影响。分别在单、双空位缺陷石墨烯表面吸附不同个数的锂原子,对锂的吸附行为、几何构型、能量稳定性以及电子特性的变化过程... 

【文章页数】：87 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 锂离子电池简介
        1.2.1 锂离子电池工作原理
        1.2.2 锂离子电池性能特点
        1.2.3 锂离子电池在应用中存在的问题
    1.3 锂离子电池负极材料
        1.3.1 非碳类负极材料研究进展
        1.3.2 碳负极石墨材料研究进展
    1.4 第一性原理在石墨烯负极材料上的应用以及研究进展
    1.5 本研究的内容、目的和意义
第二章 理论计算方法
    2.1 密度泛函理论
        2.1.1 Hohenberg-Kohn定理
        2.1.2 Kohn-Sham方程
        2.1.3 交换关联函
    2.2 赝势平面波方法
    2.3 第一性原理
    2.4 计算参数设置以及能量计算
第三章 缺陷石墨烯上的锂形核行为研究
    3.1 前言
    3.2 石墨烯空位缺陷的形成
    3.3 锂团簇在缺陷石墨烯上的吸附行为
        3.3.1 锂团簇在单空位缺陷上的吸附行为
        3.3.2 锂团簇在双空位缺陷上的吸附行为
        3.3.3 缺陷石墨烯的结构变化
    3.4 锂原子吸附在缺陷石墨烯上的稳定性
    3.5 锂原子吸附在缺陷石墨烯上的电子特性
    3.6 不同空位缺陷石墨烯的锂形核形成机制
    3.7 本章小结
第四章 N掺杂缺陷石墨烯的锂枝晶抑制机制研究
    4.1 前言
    4.2 氮掺杂缺陷石墨烯类型
    4.3 锂原子在氮掺杂缺陷石墨烯吸附位点研究
        4.3.1 SV-3N缺陷石墨烯锂原子的吸附位点
        4.3.2 DV-4N缺陷石墨烯锂原子的吸附位点
    4.4 锂原子在氮掺杂缺陷石墨烯的扩散机制及稳定性研究
    4.5 氮掺杂缺陷石墨烯吸附锂的电子特性
    4.6 氮掺杂缺陷石墨烯的锂枝晶抑制机制
    4.7 本章小结
第五章 N、B、S、P共掺杂石墨烯锂枝晶抑制机制研究
    5.1 引言
    5.2 N和B、S、P共掺杂石墨烯结构
    5.3 影响N和B、S、P共掺杂石墨烯中枝晶形核的因素
        5.3.1 单个锂原子的吸附
        5.3.2 锂原子在石墨烯层间的扩散
    5.4 预测N和B、S、P元素共掺杂后对锂枝晶生长的影响
    5.5 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 创新点
    6.3 展望
参考文献
致谢
攻读硕士期间的成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]低碳经济:人类经济发展方式的新变革[J]. 鲍健强,苗阳,陈锋.  中国工业经济. 2008(04)

硕士论文
[1]锂离子电池负极材料WO3的第一性原理研究[D]. 高占忠.电子科技大学 2017
[2]锂离子电池Si-M（M=Ni,Cr）合金负极材料嵌锂性质的第一性原理研究[D]. 丁静.湘潭大学 2016
[3]锂离子电池负极材料石墨嵌锂行为的第一性原理研究[D]. 胡军平.江西师范大学 2011



本文编号：3733323