發(fā)布時間：2017-08-12 21:05

  本文關(guān)鍵詞：色散力修正的密度泛函理論研究鋰離子電池有機電極材料

  更多相關(guān)文章： 密度泛函理論 有機晶體結(jié)構(gòu) 色散力修正 DFT-D 鋰離子遷移路線

【摘要】：隨著電動汽車和各種新型便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的快速發(fā)展,具有較長的循環(huán)壽命、較高的工作電壓和無記憶性等優(yōu)點的鋰離子電池已被廣泛使用。傳統(tǒng)的鋰離子電池正極材料大多基于昂貴的、不可再生的過渡金屬無機化合物。此外,合成和回收無機化合物時需高溫,會釋放出大量的CO2,污染環(huán)境。當(dāng)前,以有機化合物為基礎(chǔ)的電極材料很受關(guān)注,主要是因為有機材料重量輕,靈活性好,自然資源豐富,以及低污染。通過使用有機化合物來發(fā)展可持續(xù)可再生的電極材料,旨在設(shè)計綠色的電化學(xué)存儲設(shè)備。目前,許多有機電極材料已被報道。其中,具有結(jié)構(gòu)多樣性、分子水平可控性和高理論比容量等優(yōu)點的有機共軛羰基化合物已被廣泛用于鋰離子電池。隨著密度泛函理論模型和泛函類型的不斷發(fā)展,密度泛函理論已經(jīng)逐漸成為一種非常有效的計算方法。然而,傳統(tǒng)的密度泛函理論不能準確地描述分子間的長程色散力。因此,本論文的研究點之一,就是在密度泛函理論框架下,對主要的一些包含色散修正的密度泛函理論方法進行討論,從而找出能夠準確地計算有機材料性能的最佳理論方法。在此基礎(chǔ)之上,運用色散修正的密度泛函理論方法來研究多種有機共軛羰基化合物的性能,從而找出最優(yōu)的有機電極材料的結(jié)構(gòu)特點,為實驗做指導(dǎo)。本論文共有五章組成,其具體內(nèi)容如下:第一章綜述了鋰離子電池的發(fā)展歷史和工作原理,緊接著介紹了鋰離子電池的正極材料,重點提出了幾種很重要的無機正極材料的優(yōu)點和不足。此外,重點介紹有機正極材料的歷史和四大類有機電極材料的發(fā)展,尤其介紹了共軛羰基類化合物。然后,介紹密度泛函理論在鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用。最后介紹了本論文的主要工作和創(chuàng)新點。第二章綜述了第一性原理計算,介紹了密度泛函理論模型的發(fā)展,緊接著介紹了密度泛函對色散力的修正。然后介紹了密度泛函對于鋰離子電池電極材料的研究。最后介紹了本論文計算所采用的軟件包。第三章采用幾種密度泛函研究了有機含共軛羰基的鋰鹽材料,通過對材料進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,進而比較各種計算得到的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),以實驗的數(shù)值為標準;再結(jié)合計算得到的嵌鋰電勢和實驗值做對比,從而選出最合適的色散修正密度泛函理論方法。最后研究材料的電子結(jié)構(gòu),分析材料的導(dǎo)電性。第四章提出了一種共軛氰基有機化合物,運用上章所得出的色散修正密度泛函方法對該材料進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,嵌鋰電勢以及電子結(jié)構(gòu)的計算;此外,研究鋰離子的擴散路線,分析材料的脫/嵌鋰機理。第五章基于合適的色散修正密度泛函方法隨機計算了四十種有機材料,研究它們的理論容量、理論電勢以及脫/嵌鋰狀態(tài)的帶隙值,從而找出最理想的有機候選材料的條件,為實驗材料做理論指導(dǎo)。此外,研究了鋰在有機晶體結(jié)構(gòu)中的存在狀態(tài),分析材料的性能。論文最后對上述有機共軛羰基材料的電化學(xué)性能的色散修正密度泛函方法的研究進行了總結(jié)和展望。
【關(guān)鍵詞】：密度泛函理論 有機晶體結(jié)構(gòu) 色散力修正 DFT-D 鋰離子遷移路線
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM912
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-25
• 1.1 鋰離子電池的發(fā)展12
• 1.2 鋰離子電池工作原理12-13
• 1.3 鋰離子電池正極材料13-14
• 1.4 有機正極材料的發(fā)展14-22
• 1.4.1 導(dǎo)電聚合物15-16
• 1.4.2 有機硫化合物16-18
• 1.4.3 自由基類化合物18-19
• 1.4.4 共軛羰基類化合物19-22
• 1.5 鋰離子電池電極材料的理論計算研究22-23
• 1.6 本論文的研究內(nèi)容與意義23-25
• 第2章 理論計算研究方法25-35
• 2.1 薛定諤方程25-26
• 2.2 密度泛函理論26-30
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn-Sham密度泛函理論26-29
• 2.2.2 自洽計算29
• 2.2.3 局域密度近似和廣義梯度近似29-30
• 2.3 色散力的修正30-32
• 2.3.1 DFT-D2方法31-32
• 2.3.2 vdW-DF方法32
• 2.4 電壓和形成能32-33
• 2.5 VASP程序包33-35
• 第3章 一種乙氧羰基類有機電極材料Li_2C_(18)O_8H_(12)·4H_2O的理論研究35-45
• 3.1 引言35
• 3.2 計算方法35-36
• 3.3 結(jié)果與討論36-44
• 3.3.1 晶體幾何結(jié)構(gòu)36
• 3.3.2 平均電勢36-41
• 3.3.3 電子結(jié)構(gòu)41-44
• 3.4 本章小結(jié)44-45
• 第4章 一種共軛氰基類有機電極材料C_(12)H_4N_4的理論研究45-55
• 4.1 引言45
• 4.2 計算方法與幾何結(jié)構(gòu)45-46
• 4.3 結(jié)果與討論46-54
• 4.3.1 平均電勢46-47
• 4.3.2 脫/嵌鋰的幾何結(jié)構(gòu)47-48
• 4.3.3 電子結(jié)構(gòu)48-54
• 4.4 本章小結(jié)54-55
• 第5章 有機共軛羰基類電極材料的理論研究55-71
• 5.1 引言55
• 5.2 計算方法55
• 5.3 結(jié)果與討論55-69
• 5.3.1 平均電勢55-60
• 5.3.2 理論容量60-61
• 5.3.3 能帶61-65
• 5.3.4 晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的Li-O鍵65-66
• 5.3.5 脫嵌鋰的總態(tài)密度DOS66-68
• 5.3.6 有機材料NUXGOC和NUXGIW68-69
• 5.4 本章小結(jié)69-71
• 結(jié)論71-73
• 參考文獻73-79
• 附錄79-85
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文85-87
• 致謝87

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