本文關(guān)鍵詞：Li在石墨烯、BC_x及C_xN表面吸附和遷移的第一性原理研究　出處：《內(nèi)蒙古科技大學(xué)》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 第一性原理 鋰離子電池 摻雜石墨烯 吸附能 擴(kuò)散

【摘要】：鋰離子電池不僅應(yīng)用于各類便攜式電子設(shè)備，同時(shí)也是電動(dòng)汽車電源和新能源儲(chǔ)能的潛在選擇。眾多的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算表明，硼、氮摻雜石墨烯納米材料作為鋰電池的負(fù)極材料具有較高比容量和良好的充放電特性。不同硼碳比例的化合物顯現(xiàn)出不同的儲(chǔ)鋰比容量。氮原子的含量不僅會(huì)顯著影響石墨烯的電化學(xué)性能而且也會(huì)影響擔(dān)載鋰離子的能力。 為了說明硼碳化合物具有高儲(chǔ)鋰容量以及氮碳化合物具有良好充放電循環(huán)特性的原因，本文主要運(yùn)用第一性原理探討了鋰在石墨烯、BCx和CxN化合物表面的吸附能力和遷移行為。主要開展了以下幾個(gè)方面的研究工作：首先對(duì)鋰在不同尺寸本征石墨烯表面的吸附特性和遷移行為進(jìn)行了研究，隨后對(duì)鋰在B、N摻雜石墨烯衍生物體系（BC3、BC7、BC5及C3N、C7N、C5N）表面的吸附和遷移行為進(jìn)行了計(jì)算。通過以上計(jì)算得到的主要結(jié)論如下： （1）覆蓋度為1/32ML及高于1/32ML的石墨烯構(gòu)型均可作為石墨烯吸附單個(gè)Li原子的穩(wěn)定構(gòu)型。Li在4×4和（33×33）R30°石墨烯表面的擴(kuò)散能壘分別為0.336eV和0.344eV。 （2）Li原子在BC3、BC7、BC5表面最穩(wěn)定吸附位對(duì)應(yīng)的吸附能分別為3.086eV，3.564eV，3.756eV（3.706eV）。Li原子在C3N、C7N、C5N表面最穩(wěn)定吸附位對(duì)應(yīng)的吸附能分別為0.978eV，1.283eV，1.070eV（1.022eV）。與本征石墨烯相比，硼含量為25at.%，12.5at.%，16.67at.%時(shí)形成缺電子體系，提高了Li的吸附能，而氮含量為25at.%，12.5at.%，16.67at.%時(shí)形成富電子體系，減弱了Li的吸附能。不同硼（氮）碳比例的單層化合物對(duì)Li的整體吸附結(jié)合能力是按照BC5BC7BC3和C7NC5NC3N順序排列。 （3）Li在BC3表面沿最可能擴(kuò)散路徑的正、反向擴(kuò)散能壘分別為0.362eV和0.455eV，而在C3N表面則分別為0.191eV，0.348eV，硼含量為25at.%的石墨烯減弱了Li的擴(kuò)散，氮含量為25at.%的石墨烯促進(jìn)了Li的擴(kuò)散。 （4）Li在BC7表面沿最可能擴(kuò)散路徑的正、反向擴(kuò)散能壘分別為0.375eV、0.358eV、0.318eV和0.385eV，而在C7N表面分別為0.053eV、0.189eV、0.121eV和0.248eV。同樣的，硼含量為12.5at.%的石墨烯減弱了Li的擴(kuò)散，氮含量為12.5at.%的石墨烯促進(jìn)了Li的擴(kuò)散。 （5）Li在BC5表面沿最可能擴(kuò)散路徑的正、反向擴(kuò)散能壘均為0.345eV，而在C5N表面僅為0.074eV。Li在硼含量為16.67at.%的石墨烯表面的擴(kuò)散能力與其在石墨烯表面基本相同。氮含量為16.67at.%的石墨烯促進(jìn)了Li的擴(kuò)散。 Li在BC3、BC7、BC5表面的吸附能都高于其在本征石墨烯表面的吸附能，這也為吸附更多的Li原子提供了必要條件，這使得具有三種不同硼碳比例的化合物都具有比較高的儲(chǔ)鋰量。相比于BC7和BC5而言，Li在硼含量較高的BC3表面各個(gè)對(duì)應(yīng)吸附位點(diǎn)的吸附能是最低的，進(jìn)而說明并非硼的含量越高儲(chǔ)Li量越高，而是會(huì)存在一個(gè)比較合適的硼含量使得Li的存儲(chǔ)量達(dá)到最大，如BC5。而對(duì)于單層C3N、C7N、C5N化合物而言，氮的含量越高，Li與對(duì)應(yīng)體系的結(jié)合越不穩(wěn)定，越不利于儲(chǔ)存更多的Li。Li在C3N、C7N、C5N表面的擴(kuò)散能壘均低于其在本征石墨烯表面的擴(kuò)散能壘，使得擴(kuò)散更容易進(jìn)行，這說明了為什么摻氮石墨烯具有良好的充放電循環(huán)特性。
[Abstract]:Lithium-ion batteries are not only used in all kinds of portable electronic devices, but also a potential choice for electric vehicle power and energy storage of new energy. Numerous experiments and theoretical calculations show that boron and nitrogen doped graphene nanomaterials as the negative electrode materials of lithium batteries have higher specific capacity and better charge discharge characteristics. The compounds with different boron and carbon ratios show different lithium storage capacity. The content of nitrogen atoms will not only affect the electrochemical performance of graphene, but also affect the ability of carrying lithium ion.
【學(xué)位授予單位】：內(nèi)蒙古科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM912

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本文編號(hào)：1344270