锂/钾二次电池材料的设计及储能机理的第一性原理研究
发布时间：2021-02-11 07:34
全球能量的消耗主要来源于化石燃料,这些资源不可再生,并且在地球上分布不均。随着化学燃料的消耗、人们环保意识的提高,以及对能源需求的增加,诸如太阳能、风能、潮汐能等可再生的能源逐渐被开发并利用。由于这些能源具有一定的间歇性,为了更有效的利用这些可再生资源,二次电池（可充电电池）的能量存储已经成为不可或缺的一个环节。然而,随着器件更新,传统的锂离子电池材料在能量密度以及循环稳定性等方面愈发难以满足日益提高的储能需求,因此,对于二次电池体系的研究十分紧迫。传统的研究以实验为主,然而,随着人们对材料各方面性能的要求不断提高,对反应机理的了解愈发深入,材料研究的空间尺度也随之减小,仅仅依赖于实验对二次电池进行研究已经无法满足现代发展的需求。基于量子力学密度泛函理论的第一性计算可在原子尺度下对二次电池材料进行模拟,对材料的微观结构及性能进行预测与分析。本论文采用第一性原理计算,从多个角度对锂、钾二次电池材料进行研究。从原子尺度探究二次电池材料的晶体结构、相变过程、弹性性能、导电性、离子存储与迁移机理等基础科学问题。在深入了解电极材料运作机理的同时,我们同样专注于筛选甚至设计出具有潜力的二次电池材料...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
锂离子电池工作原理示意图[2]
吉林大学博士学位论文4程中体积变化过大，电极材料在充放电过程中容易发生粉化，并且，体积的变化会反复破坏负极表面的SEI保护层，使电解质不断发生分解，造成锂离子的消耗，同时抑制锂离子在负极和电解质界面的传输[8,9]。而Al-Li合金负极虽然具有超过90%的库伦效率，但是实际容量过低，只有大约1.4mAhcm-2[10]。1980年，Lazzari和Scrosati报道了WO2负极材料，该材料具有足够高的可逆性，存在的问题则是较高的电压（0.75VvsLi/Li+）和较低的容量（125mAhg-1）[11]。图1.2LiCoO2的结构和充放电电压[5]Figure1.2(a)Thestructureand(b)(dis)chargevoltageprofleofLiCoO2[5]在锂离子电池商业化的初期，正极材料几乎没有变化，人们在负极材料的研究中主要追求更高的能量密度，更高的库伦效率，以及更好的循环性能。基于对低成本、环境友好的需求，负极材料发展初期的主要研究对象是碳材料。1970年，Besenhard首次将石墨作为负极材料报道（图1.3）[1,10]，Li、K、Na、Rb、Cs等碱金属离子被成功嵌入石墨晶体结构中。对于锂离子电池，石墨负极具有一个较高的容量372mAhg-1以及较低的锂化电位（图1.4）[12,13]。其主要优势来源于导电性良好的二维稳定结构，高对称性的晶体结构以及层间的通道有助于Li+的扩散，确保了材料的循环寿命。同时，作为一个负极材料，较低的电压保证了全电池的能量密度。因此作为早期的商业化负极材料，石墨至今仍然是实际器件中负极的首选材料。
第一章绪论5图1.3Li、Na、K、Rb、Cs和NMe4嵌入石墨的放电电压[1,10]Figure1.3DischargevoltageprofleofinsertionofLi,Na,K,Rb,CsandNMe4intographite[1,10]图1.4（a）锂化后的石墨晶体结构[14]；（b）锂化后的钛酸锂晶体结构[15]；（c）硅在锂化过程中的结构变化[16]；（d）低倍率下常见的负极材料的充放电曲线[12,13]Figure1.4(a)Thestructureoflithiatedgraphite[14],(b)thestructureofLi4Ti5O12[15],(c)structuralchangeofsiliconduringlithiation[16],(d)(dis)chargevoltageprofilesatlowrates[12,13]
本文编号：3028764
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
锂离子电池工作原理示意图[2]
吉林大学博士学位论文4程中体积变化过大，电极材料在充放电过程中容易发生粉化，并且，体积的变化会反复破坏负极表面的SEI保护层，使电解质不断发生分解，造成锂离子的消耗，同时抑制锂离子在负极和电解质界面的传输[8,9]。而Al-Li合金负极虽然具有超过90%的库伦效率，但是实际容量过低，只有大约1.4mAhcm-2[10]。1980年，Lazzari和Scrosati报道了WO2负极材料，该材料具有足够高的可逆性，存在的问题则是较高的电压（0.75VvsLi/Li+）和较低的容量（125mAhg-1）[11]。图1.2LiCoO2的结构和充放电电压[5]Figure1.2(a)Thestructureand(b)(dis)chargevoltageprofleofLiCoO2[5]在锂离子电池商业化的初期，正极材料几乎没有变化，人们在负极材料的研究中主要追求更高的能量密度，更高的库伦效率，以及更好的循环性能。基于对低成本、环境友好的需求，负极材料发展初期的主要研究对象是碳材料。1970年，Besenhard首次将石墨作为负极材料报道（图1.3）[1,10]，Li、K、Na、Rb、Cs等碱金属离子被成功嵌入石墨晶体结构中。对于锂离子电池，石墨负极具有一个较高的容量372mAhg-1以及较低的锂化电位（图1.4）[12,13]。其主要优势来源于导电性良好的二维稳定结构，高对称性的晶体结构以及层间的通道有助于Li+的扩散，确保了材料的循环寿命。同时，作为一个负极材料，较低的电压保证了全电池的能量密度。因此作为早期的商业化负极材料，石墨至今仍然是实际器件中负极的首选材料。
第一章绪论5图1.3Li、Na、K、Rb、Cs和NMe4嵌入石墨的放电电压[1,10]Figure1.3DischargevoltageprofleofinsertionofLi,Na,K,Rb,CsandNMe4intographite[1,10]图1.4（a）锂化后的石墨晶体结构[14]；（b）锂化后的钛酸锂晶体结构[15]；（c）硅在锂化过程中的结构变化[16]；（d）低倍率下常见的负极材料的充放电曲线[12,13]Figure1.4(a)Thestructureoflithiatedgraphite[14],(b)thestructureofLi4Ti5O12[15],(c)structuralchangeofsiliconduringlithiation[16],(d)(dis)chargevoltageprofilesatlowrates[12,13]
本文编号：3028764
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