【摘要】：鋰離子電池(LIBs)由于其工作電壓高、容量大、可重復(fù)充放電等優(yōu)勢(shì),已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。作為自然界中豐富的元素,硅擁有著比其他負(fù)極材料更高的理論容量,達(dá)到4200mAhg~(-1)。但是,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,硅存在一個(gè)巨大的缺陷,那就是在循環(huán)充放電的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很大的體積變化。這變化使得硅顆粒粉碎并脫離跟電極片的接觸,并且難以維持固態(tài)電解質(zhì)間的穩(wěn)定,迅速導(dǎo)致容量衰減和縮短循環(huán)的壽命。于是開始將硅材料制成各種納米尺度:納米顆粒、納米線和納米管,然后將這些納米結(jié)構(gòu)嵌入碳籠中形成硅核心碳?xì)?fù)合結(jié)構(gòu),這樣就有空間來(lái)緩解充放電過(guò)程中的體積膨脹。石墨烯(Graphene)由于其原子厚度的二維晶體結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)、高機(jī)械強(qiáng)度、高的表面積和優(yōu)良的電子傳導(dǎo)率,對(duì)硅碳復(fù)合材料來(lái)說(shuō)是極好的碳源。本文通過(guò)第一性原理計(jì)算模擬,首先系統(tǒng)研究了硅碳復(fù)合結(jié)構(gòu)下的Graphene-Si復(fù)合結(jié)構(gòu)作為鋰電池負(fù)極材料時(shí),鋰離子在表面的吸附情況,以及鋰離子的遷移和擴(kuò)散規(guī)律和復(fù)合材料的嵌鋰機(jī)制�；诮Y(jié)合能、電荷轉(zhuǎn)移以及電荷差分密度的計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)鋰離子更愿意吸附在復(fù)合材料Gra/Si系統(tǒng)中。計(jì)算出的系統(tǒng)中鋰的均方位移和擴(kuò)散系數(shù)說(shuō)明鋰離子在Gra/Si系統(tǒng)中更容易擴(kuò)散。結(jié)果表明,石墨烯的加入能明顯增強(qiáng)硅作為高容量鋰電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能。此外,還研究了系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆容量的原因。系統(tǒng)嵌滿鋰后,在石墨烯與硅的界面處,Li-Si和Li-C的鍵長(zhǎng)明顯比可逆結(jié)構(gòu)中的鍵長(zhǎng)更短,硅膨脹到最后和石墨烯層也形成了Si-C鍵,這個(gè)現(xiàn)象也在徑向分布函數(shù)中有發(fā)現(xiàn)。這些更短的鍵說(shuō)明原子之間作用力較強(qiáng),從而形成相對(duì)穩(wěn)定的不可逆結(jié)構(gòu)。研究復(fù)合材料在原子尺度的嵌鋰機(jī)制,現(xiàn)階段對(duì)于實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)很困難。第二部分通過(guò)第一性原理計(jì)算的態(tài)密度、徑向分布函數(shù)、形成能和電壓曲線結(jié)果顯示,鋰原子在硅含量更高的復(fù)合結(jié)構(gòu)中結(jié)合的更好,這和實(shí)驗(yàn)是相吻合的。然后進(jìn)一步研究了產(chǎn)生系統(tǒng)不可逆容量的機(jī)理,發(fā)現(xiàn)形成的Si-C鍵和石墨烯附近的Li-C鍵是產(chǎn)生不可逆容量的原因。對(duì)不同硅含量結(jié)構(gòu)在嵌鋰之后的可逆容量進(jìn)行了預(yù)測(cè),并得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。本文中的相關(guān)研究及計(jì)算分析方法可以用來(lái)評(píng)估和設(shè)計(jì)納米復(fù)合負(fù)極材料。
【圖文】：

石化能源的匱乏和其帶來(lái)的日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，讓人們意識(shí)到開能、水能等綠色可再生能源的必要性，同時(shí)也對(duì)能源的高效利用展究工作，其中鋰電池的開發(fā)便是重點(diǎn)之一[1-4]。放電的鋰電池之所以能在近些年吸引到研究人員的注意是因?yàn)槠溆�，，比如筆記本、移動(dòng)電子產(chǎn)品、混合電動(dòng)車和電動(dòng)汽車。相比于次電池，鋰電池?fù)碛兄呤褂脡勖�、高工作電壓、高能量密度、體度范圍大等優(yōu)勢(shì)[5-10]。標(biāo)準(zhǔn)的鋰電池包括正負(fù)兩個(gè)電極片，當(dāng)充電子從正極嵌入到負(fù)極，放電的時(shí)候從負(fù)極脫離，回到正極。相比提極材料，作為儲(chǔ)存鋰離子的負(fù)極顯得尤為重要，材料的能量密度直容量高低，結(jié)構(gòu)特性直接影響到電池的性能�，F(xiàn)在商用的鋰電池負(fù)用石墨，因?yàn)槠滟Y源豐富，而且成本很低。但是傳統(tǒng)的石墨電極已會(huì)發(fā)展的需求，相對(duì)較低的能量密度（372mAhg-1）和充放電過(guò)程造成的安全問(wèn)題限制了石墨作為負(fù)極材料的進(jìn)一步發(fā)展[11-17]。在這找一種低成本、高安全性、高使用壽命和高能量密度的負(fù)極材料，究人員的熱點(diǎn)。

異的電極材料。組成的鋰離子電池的組件一般都采用已經(jīng)商用的成熟產(chǎn)殼；或者對(duì)現(xiàn)有工業(yè)常用材料進(jìn)行簡(jiǎn)單的加工后使用加工成符合要求的圓片狀，可以用來(lái)作為鋰離子模擬組裝的扣式鋰離子電池中的電池殼，為工業(yè)常用的、CR2025、CR2016 等多種。具體型號(hào)的選擇則根據(jù)的負(fù)極為鋰金屬，R 代表電池外形為圓形，后面的四單位毫米，后兩位除以 10 就為電池厚度，單位也是則表示直徑為 20mm，厚度為 3.2mm 的圓形鋰電池殼
【學(xué)位授予單位】：溫州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM912

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 牛津;張?zhí)K;牛越;宋懷河;陳曉紅;周繼升;;硅基鋰離子電池負(fù)極材料[J];化學(xué)進(jìn)展;2015年09期

2 王毅;馬新寨;謝明樹;陳志雪;姚建英;張彥杰;畢錫鋼;;動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)發(fā)展分析[J];電池工業(yè);2014年04期

3 吳超;崔永麗;莊全超;徐守冬;沈明芳;史月麗;孫智;;基于轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)制的鋰離子電池電極材料研究進(jìn)展[J];化學(xué)通報(bào);2011年11期

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