可充電電池是人們?nèi)粘Ｉ钪械囊环N重要儲(chǔ)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(yīng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用在移動(dòng)電話、筆記本電腦、電動(dòng)汽車、太陽能電站等儲(chǔ)能電源系統(tǒng)中。然而,電極材料對(duì)鋰離子電池的性能影響很大,低安全性、低充電速率、相對(duì)高的成本等缺點(diǎn)限制了鋰離子電池的發(fā)展。因此,研究具有新型結(jié)構(gòu)和性能的電極材料對(duì)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(jī)械強(qiáng)度大、易于調(diào)控等優(yōu)異的物理和化學(xué)性能,成為離子電池、光電器件、傳感器和自旋電子學(xué)等諸多領(lǐng)域應(yīng)用的理想材料。理論計(jì)算可以預(yù)測(cè)和驗(yàn)證二維材料性能,以理論研究為指導(dǎo)能夠大大提高實(shí)驗(yàn)效率。本文以密度泛函理論為指導(dǎo),通過第一性原理計(jì)算方法,理論上預(yù)測(cè)了新型二維金屬化合物材料在電子器件中應(yīng)用的可行性,主要內(nèi)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(fù)極材料的可行性。主要計(jì)算電子結(jié)構(gòu)、吸附能、擴(kuò)散能壘、開路電壓和存儲(chǔ)容量。過渡金屬硼化物為正交結(jié)構(gòu)且表現(xiàn)出優(yōu)異的... 

【文章來源】：南京林業(yè)大學(xué)江蘇省

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學(xué)位級(jí)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(xué)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(jié)構(gòu)，即兩個(gè)硫族原子層分別位于兩側(cè)，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(gè)獨(dú)特性質(zhì)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(dǎo)體和超導(dǎo)行為。金屬原子與硫族原子形成三棱柱構(gòu)型，三個(gè)原子層以ABA方式堆疊，稱為2H相；形成八面體配位時(shí)，三個(gè)原子層以ABC方式堆疊，稱為1T相。對(duì)于大多數(shù)過渡金屬二硫族化物來說，當(dāng)2H相結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)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(yīng)用于制作微電子和光電子器件，同時(shí)有研究報(bào)告其在紫外探測(cè)器應(yīng)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(jié)構(gòu)材料[60]，化學(xué)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(duì)稱性分層，其中M原子是六角密排，X原子填充八面體位點(diǎn)，A層交錯(cuò)插入Mn+1Xn晶格中。其中強(qiáng)M-X鍵具有混合的共價(jià)/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(xué)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(jié)構(gòu)保持在一起，而MAX相中各層之間的結(jié)合力太強(qiáng)而無法被剪切力或斷裂力破壞，通過化學(xué)方法選擇性蝕刻A層而不會(huì)破壞M-X鍵。MXenes主要有三種不同的結(jié)構(gòu)，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(dá)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(jìn)行，因此單層MXenes表面的過渡金屬原子最后會(huì)被O，OH或F終止，形成Mn+1XnTx。大多數(shù)MXene是良好的電子導(dǎo)電性和親水性，使這些材料在電化學(xué)能量存儲(chǔ)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(dǎo)體或金屬，這在很大程度上取決于表面F和OH基團(tuán)的幾何終止方式。在最穩(wěn)定的形式中，F(xiàn)和OH基團(tuán)更優(yōu)選位于三個(gè)相鄰C原子之間的空心位點(diǎn)上方，并且I-Ti3C2F2和I-Ti3C2(OH)2都是帶隙非常小的半導(dǎo)體。金屬或窄帶隙半導(dǎo)體特性有助于Ti3C2相關(guān)材料在鋰離子電池中的潛在應(yīng)用。圖1-3過渡金屬二硫族化物的結(jié)構(gòu)示意圖。Fig.1-3Crystalstructuresoftransitionmetaldichalcogenides.

【參考文獻(xiàn)】：
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(jìn)展[J]. 付文莉.  電源技術(shù). 2009(09)
[3]鋰離子二次電池正極材料鎳酸鋰的量子化學(xué)研究[J]. 何希兵,其魯,王銀杰,王祥云.  無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào). 2003(08)

博士論文
[1]新型二維材料電子性質(zhì)與量子調(diào)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(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的理論研究[D]. 姚秋石.南京理工大學(xué) 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(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)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(fù)極的第一性原理研究[D]. 胡軍平.北京理工大學(xué) 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(xué) 2014

碩士論文
[1]新型鈉離子電池負(fù)極材料的第一性原理計(jì)算研究[D]. 蘭珍云.浙江大學(xué) 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(fù)旦大學(xué) 2012



本文編號(hào)：3308959