可充電電池是人們日常生活中的一種重要儲能裝置。鋰離子電池作為一種可充電電池,因其能量密度高、輸出功率大、循環(huán)次數(shù)多、無記憶效應、綠色環(huán)保等優(yōu)點,廣泛應用在移動電話、筆記本電腦、電動汽車、太陽能電站等儲能電源系統(tǒng)中。然而,電極材料對鋰離子電池的性能影響很大,低安全性、低充電速率、相對高的成本等缺點限制了鋰離子電池的發(fā)展。因此,研究具有新型結構和性能的電極材料對提高鋰離子電池的性能具有重要意義。自從發(fā)現(xiàn)石墨烯以來,二維材料取得了飛速的發(fā)展,可提供幾乎所有納米電子器件所需的電子特性。二維材料具有尺寸小、比表面積高、機械強度大、易于調控等優(yōu)異的物理和化學性能,成為離子電池、光電器件、傳感器和自旋電子學等諸多領域應用的理想材料。理論計算可以預測和驗證二維材料性能,以理論研究為指導能夠大大提高實驗效率。本文以密度泛函理論為指導,通過第一性原理計算方法,理論上預測了新型二維金屬化合物材料在電子器件中應用的可行性,主要內容如下:（1）探究了新型二維過渡金屬硼化物（TMBs）作為鋰/鈉離子電池負極材料的可行性。主要計算電子結構、吸附能、擴散能壘、開路電壓和存儲容量。過渡金屬硼化物為正交結構且表現(xiàn)出優(yōu)異的... 

【文章來源】：南京林業(yè)大學江蘇省

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

鋰離子電池工作原理示意圖

7過渡金屬二硫族化物（TMDs）[58]是一種層狀化合物，層與層之間依靠范德瓦爾斯力連接�；瘜W通式一般為MX2，M代表過渡金屬原子，X代表硫族原子。單層過渡金屬二硫族化物呈現(xiàn)出三明治結構，即兩個硫族原子層分別位于兩側，過渡金屬層在其之間。過渡金屬二硫族化物具備的其中一個獨特性質就是能夠形成不同的晶相[59]，如圖1-3所示，這樣也形成了過渡金屬二硫族化物不同的電子特性，包括金屬、半金屬、半導體和超導行為。金屬原子與硫族原子形成三棱柱構型，三個原子層以ABA方式堆疊，稱為2H相；形成八面體配位時，三個原子層以ABC方式堆疊，稱為1T相。對于大多數(shù)過渡金屬二硫族化物來說，當2H相結構是半導體，1T相的是金屬。典型代表就是二硫化鉬MoS2。單層MoS2具有直接帶隙，禁帶寬度為1.80eV，可以被應用于制作微電子和光電子器件，同時有研究報告其在紫外探測器應用方面具有潛在的前景。圖1-2石墨烯形成零維富勒烯、一維納米管和三維石墨示意圖。Fig.1-2Schematicdiagramofgrapheneformingzero-dimensionalfullerene,one-dimensionalnanotubesandthree-dimensionalgraphite.

8過渡金屬碳化物或氮化物（MXenes）是另外一種重要的二維層狀結構材料[60]，化學通式為Mn+1Xn（n=1，2，3），其中M為過渡金屬，X為碳或氮。MXenes是通過從MAX相中選擇性蝕刻A元素而產(chǎn)生的，所有已知的MAX相都以P63/mmc空間群呈六邊形對稱性分層，其中M原子是六角密排，X原子填充八面體位點，A層交錯插入Mn+1Xn晶格中。其中強M-X鍵具有混合的共價/金屬/離子鍵合特征，而M-A鍵是金屬的。換句話說，MAX相成功地化學剝落成MXenes，主要是由于M-A鍵比M-X鍵弱得多。因此，與其他層狀材料（例如石墨和TMDs）相反，它們是弱的范德華相互作用將結構保持在一起，而MAX相中各層之間的結合力太強而無法被剪切力或斷裂力破壞，通過化學方法選擇性蝕刻A層而不會破壞M-X鍵。MXenes主要有三種不同的結構，分別是M2X，M3X2或M4X3，如圖1-4所示。在所有情況下，單層MXenes的厚度均小于1nm，而其橫向尺寸則可以達到數(shù)十微米。由于MXenes的合成通常在含氟離子的水溶液中進行，因此單層MXenes表面的過渡金屬原子最后會被O，OH或F終止，形成Mn+1XnTx。大多數(shù)MXene是良好的電子導電性和親水性，使這些材料在電化學能量存儲方面非常有前景。典型代表是Ti3C2。單層Ti3C2表現(xiàn)出磁性金屬特性，而Ti3C2F2和Ti3C2(OH)2可以是窄帶隙半導體或金屬，這在很大程度上取決于表面F和OH基團的幾何終止方式。在最穩(wěn)定的形式中，F(xiàn)和OH基團更優(yōu)選位于三個相鄰C原子之間的空心位點上方，并且I-Ti3C2F2和I-Ti3C2(OH)2都是帶隙非常小的半導體。金屬或窄帶隙半導體特性有助于Ti3C2相關材料在鋰離子電池中的潛在應用。圖1-3過渡金屬二硫族化物的結構示意圖。Fig.1-3Crystalstructuresoftransitionmetaldichalcogenides.

【參考文獻】：
期刊論文
[1]鋰離子電池的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 王鵬博,鄭俊超.  自然雜志. 2017(04)
[2]鋰離子電池電極材料的研究進展[J]. 付文莉.  電源技術. 2009(09)
[3]鋰離子二次電池正極材料鎳酸鋰的量子化學研究[J]. 何希兵,其魯,王銀杰,王祥云.  無機化學學報. 2003(08)

博士論文
[1]新型二維材料電子性質與量子調控行為的理論研究[D]. 李淑靜.中國工程物理研究院 2019
[2]二維材料在鋰離子電池、光電和自旋電子學領域應用的理論研究[D]. 姚秋石.南京理工大學 2018
[3]鋰離子電池新型正極材料的第一性原理研究[D]. 田萌.中國科學院大學(中國科學院物理研究所) 2017
[4]新型二維材料作為鋰或非鋰離子電池負極的第一性原理研究[D]. 胡軍平.北京理工大學 2016
[5]類石墨烯二硫化鉬的第一性原理研究[D]. 黃宗玉.湘潭大學 2014

碩士論文
[1]新型鈉離子電池負極材料的第一性原理計算研究[D]. 蘭珍云.浙江大學 2018
[2]高性能鋰離子電池正極材料鎳鈷錳酸鋰的工業(yè)化探索[D]. 胡東閣.復旦大學 2012



本文編號：3308959