鈉離子電池正極材料儲能機(jī)理的第一性原理研究
發(fā)布時間：2021-01-28 00:07
當(dāng)前對能源需求的快速增長,提高了人們對開發(fā)可持續(xù)能源的關(guān)注度,例如太陽能和風(fēng)能等�？沙掷m(xù)能源的有效利用取決于高效的能量存儲與轉(zhuǎn)換技術(shù),大規(guī)模儲能系統(tǒng)已成為近年來的重要研究領(lǐng)域。鈉離子電池由于原材料資源豐富、低成本以及與鋰離子電池技術(shù)相似度高等優(yōu)勢,成為最有發(fā)展?jié)摿Φ男滦投坞姵伢w系。然而,鈉離子電池的低能量密度、循環(huán)穩(wěn)定性差、以及倍率性能低等問題在很大程度上阻礙鈉離子電池商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展。因此,通過基于密度泛函理論的第一性原理計算研究鈉離子電池材料的基礎(chǔ)科學(xué)問題以及探索新的電極材料具有重要的理論意義�；谏鲜鲅芯勘尘�,我們通過基于密度泛函理論的第一性原理計算方法,以兩類典型鈉離子電池正極材料為研究對象,探討電極材料的晶體結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)本征屬性、離子存儲與傳輸機(jī)制等基礎(chǔ)科學(xué)問題。在原子尺度上研究電池材料的結(jié)構(gòu)特征以及充放電過程中的電化學(xué)反應(yīng)和離子遷移動力學(xué)性質(zhì)。運用理論計算的方法,闡述和預(yù)測微觀結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性質(zhì)之間的相互關(guān)系,為深入了解電極材料的電化學(xué)機(jī)理以及發(fā)掘新型鈉離子電池正極材料提供可行的理論依據(jù)。本論文取得的主要研究成果如下:（1）采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法研究了Na...
【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：87 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
地殼中元素含量分布圖[11]
第一章緒論3失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電子通過外電路達(dá)到正極材料，在正極材料上發(fā)生還原反應(yīng)，電子在外電路中流動形成電流并驅(qū)動負(fù)載，將電能轉(zhuǎn)化為動能、熱能等其他形式的能量。圖1.2鋰離子電池工作原理示意圖[12]Fig.1.2Schematicdiagramoftheworkingprincipleoflithiumionbatteries[12]1.3鈉離子電池簡介一個可充電鈉離子電池需要具備良好的性能特性如：對于相應(yīng)電解液系統(tǒng)具有較高的半反應(yīng)電勢并且具有較低的分解電勢。已被研究的具有代表性的鈉離子電池陰極和陽極材料如圖1.3所示。含鈉化合物作為“搖椅式”陽極材料具有兩個重要的影響因素：一個是電離電位，另一個是堿金屬的大校在元素周期表中堿金屬元素的電離勢從Cs元素（3.893eV）到Li元素（5.390eV）逐漸升高。低電離勢的堿金屬越容易失電子，因此，堿金屬元素得電子的能力大小順序為Cs>Rb>K>Na>Li。Ceder等人對鈉、鋰離子電池材料的電壓、穩(wěn)定性和擴(kuò)散勢壘計算對比表明，鈉離子體系的電壓窗口、穩(wěn)定性、擴(kuò)散性質(zhì)可以媲美于鋰離子電池體系。鈉離子電池和鋰離子電池的組分和電化學(xué)存儲機(jī)制基本相同，因此在這
吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文4兩種體系中可以使用類似的化合物作為正負(fù)極材料。但鈉離子和鋰離子電池系統(tǒng)之間還是有一些明顯的差異。鈉離子的離子半徑（1.02）比鋰離子的離子半徑（0.76）大，這會影響鈉離子在插入脫出過程中材料的結(jié)構(gòu)相變、離子傳輸和界面的穩(wěn)定性。另外，鈉的摩爾質(zhì)量也比鋰重（23gmol-1相較于6.9gmol-1），并且具有更高的標(biāo)準(zhǔn)電極電位（2.71Vvs.SHE相較于鋰為-3.02Vvs.SHE）；因此，鈉離子電池在能量密度方面顯得劣勢一些。[13–16]然而，Li或Na的質(zhì)量相較于化合物的總體質(zhì)量來說是很小一部分，電化學(xué)反應(yīng)的容量主要由作為電極的宿主結(jié)構(gòu)的特性決定。因此，尋找一種適合鈉離子存儲、具有較高的可逆容量和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的陽極材料仍然是鈉離子電池發(fā)展的障礙。[17–21]傳統(tǒng)的研究以實驗為主，然而，隨著人們對材料各方面性能的要求不斷提高，對反應(yīng)機(jī)理的了解愈發(fā)深入，材料研究的空間尺度也隨之減小，僅僅依賴于實驗對二次電池進(jìn)行研究已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代發(fā)展的需求。基于量子力學(xué)密度泛函理論的第一性計算可在原子尺度下對二次電池材料進(jìn)行模擬，對材料的微觀結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行預(yù)測與分析對二次電池體系的發(fā)展起到了舉足輕重的作用。圖1.3主要鈉離子電池陰極和陽極材料的比容量和工作電壓[18]Fig.1.3Specificcapacityandworkingvoltageofmajorcathodeandanodematerialsforsodiumionbatteries.[18]
本文編號：3003984
【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：87 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
地殼中元素含量分布圖[11]
第一章緒論3失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電子通過外電路達(dá)到正極材料，在正極材料上發(fā)生還原反應(yīng)，電子在外電路中流動形成電流并驅(qū)動負(fù)載，將電能轉(zhuǎn)化為動能、熱能等其他形式的能量。圖1.2鋰離子電池工作原理示意圖[12]Fig.1.2Schematicdiagramoftheworkingprincipleoflithiumionbatteries[12]1.3鈉離子電池簡介一個可充電鈉離子電池需要具備良好的性能特性如：對于相應(yīng)電解液系統(tǒng)具有較高的半反應(yīng)電勢并且具有較低的分解電勢。已被研究的具有代表性的鈉離子電池陰極和陽極材料如圖1.3所示。含鈉化合物作為“搖椅式”陽極材料具有兩個重要的影響因素：一個是電離電位，另一個是堿金屬的大校在元素周期表中堿金屬元素的電離勢從Cs元素（3.893eV）到Li元素（5.390eV）逐漸升高。低電離勢的堿金屬越容易失電子，因此，堿金屬元素得電子的能力大小順序為Cs>Rb>K>Na>Li。Ceder等人對鈉、鋰離子電池材料的電壓、穩(wěn)定性和擴(kuò)散勢壘計算對比表明，鈉離子體系的電壓窗口、穩(wěn)定性、擴(kuò)散性質(zhì)可以媲美于鋰離子電池體系。鈉離子電池和鋰離子電池的組分和電化學(xué)存儲機(jī)制基本相同，因此在這
吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文4兩種體系中可以使用類似的化合物作為正負(fù)極材料。但鈉離子和鋰離子電池系統(tǒng)之間還是有一些明顯的差異。鈉離子的離子半徑（1.02）比鋰離子的離子半徑（0.76）大，這會影響鈉離子在插入脫出過程中材料的結(jié)構(gòu)相變、離子傳輸和界面的穩(wěn)定性。另外，鈉的摩爾質(zhì)量也比鋰重（23gmol-1相較于6.9gmol-1），并且具有更高的標(biāo)準(zhǔn)電極電位（2.71Vvs.SHE相較于鋰為-3.02Vvs.SHE）；因此，鈉離子電池在能量密度方面顯得劣勢一些。[13–16]然而，Li或Na的質(zhì)量相較于化合物的總體質(zhì)量來說是很小一部分，電化學(xué)反應(yīng)的容量主要由作為電極的宿主結(jié)構(gòu)的特性決定。因此，尋找一種適合鈉離子存儲、具有較高的可逆容量和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的陽極材料仍然是鈉離子電池發(fā)展的障礙。[17–21]傳統(tǒng)的研究以實驗為主，然而，隨著人們對材料各方面性能的要求不斷提高，對反應(yīng)機(jī)理的了解愈發(fā)深入，材料研究的空間尺度也隨之減小，僅僅依賴于實驗對二次電池進(jìn)行研究已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代發(fā)展的需求。基于量子力學(xué)密度泛函理論的第一性計算可在原子尺度下對二次電池材料進(jìn)行模擬，對材料的微觀結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行預(yù)測與分析對二次電池體系的發(fā)展起到了舉足輕重的作用。圖1.3主要鈉離子電池陰極和陽極材料的比容量和工作電壓[18]Fig.1.3Specificcapacityandworkingvoltageofmajorcathodeandanodematerialsforsodiumionbatteries.[18]
本文編號：3003984
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