本文關(guān)鍵詞：鋰離子電池負(fù)極材料儲(chǔ)鋰機(jī)制的第一性原理研究

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【摘要】：鋰離子電池(LIBs)因?yàn)槠涓呖赡嫒萘�、高能量密度和很好的循環(huán)性能已被廣泛用于各種便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)設(shè)備。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,便攜式設(shè)備長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間和動(dòng)力設(shè)備的大容量需求對(duì)鋰離子電池的功率、能量密度和充放電速率等性能的實(shí)際要求越來(lái)越高。目前廣泛用于負(fù)極的石墨碳基材料由于理論容量較低、倍率性能較差,已經(jīng)成為制約鋰離子電池整體性能的瓶頸,發(fā)展新型高效負(fù)極材料成為了促進(jìn)鋰離子電池技術(shù)快速發(fā)展的關(guān)鍵。超薄二維納米結(jié)構(gòu)由于自身的柔韌性、高表面積及超短離子傳輸距離,已成為構(gòu)造高性能電極材料最佳選擇。最近,由類石墨材料黑磷剝離出的單層超薄二維結(jié)構(gòu)磷烯,由于其適當(dāng)?shù)膸秾挾?0.5 eV~1.5 eV)和非常高的載流子遷移率(5000 cm-1V-1s-1),有望成為新型高效鋰離子電池電極的備選材料,吸引了眾多研究者的關(guān)注。本文系統(tǒng)研究了磷烯及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)充放電過(guò)程中的結(jié)構(gòu)相變特征、鋰離子的遷移和擴(kuò)散規(guī)律以及嵌鋰和脫鋰機(jī)制,分析了缺陷和異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)其容量、導(dǎo)電性能、以及循環(huán)性能的改善作用,以期為鋰離子電池電極材料的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。主要研究?jī)?nèi)容如下:1、磷烯中鋰離子的擴(kuò)散規(guī)律研究。為了研究磷烯材料用于鋰離子電池負(fù)極材料的可行性,同時(shí)考慮到材料制備中可能出現(xiàn)的材料缺陷問(wèn)題,系統(tǒng)的研究了鋰離子在晶體和空位缺陷磷烯中的吸附及擴(kuò)散性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)晶體磷烯具有較高的嵌鋰容量(432.79 mAhg-1)、非�？斓匿囯x子槽內(nèi)擴(kuò)散速率(Eb=0.09 eV)、充放電時(shí)體積改變小等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)缺陷磷烯的研究發(fā)現(xiàn),相比于晶體磷烯而言,其電化學(xué)性能得到了極大的改善。鋰在缺陷磷烯空位附近的結(jié)合能比在晶體磷烯中增加了大約1 eV。此外,空位的引進(jìn)打開了一個(gè)新奇的槽間擴(kuò)散通道,其擴(kuò)散勢(shì)壘僅為0.13 eV,這將顯著的改善電池的快速充放電能力。2、磷烯/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鋰電性能研究。針對(duì)導(dǎo)電性差,比容量不足等二維負(fù)極材料中廣泛存在的問(wèn)題,系統(tǒng)的研究了磷烯-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)單層磷烯電化學(xué)性質(zhì)的改善作用。計(jì)算結(jié)果表明磷烯-石墨烯異質(zhì)結(jié)不但能夠保持在單層中快的鋰離子擴(kuò)散速率,還能顯著的提高鋰離子的吸附穩(wěn)定性。另外,對(duì)磷烯-石墨烯異質(zhì)結(jié)與單層晶體磷烯的能帶結(jié)構(gòu)對(duì)比發(fā)現(xiàn),磷烯-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性(Eg=0.03 eV)也得到了較大的改善。此外,磷烯-石墨烯異質(zhì)結(jié)展現(xiàn)出了超高的剛度(Cac=350 N/m,Czz=464 N/m),這能夠有效的避免在脫、嵌鋰過(guò)程中導(dǎo)致的電極變形,從而提高電池的循環(huán)性能。
【關(guān)鍵詞】：第一性原理 磷烯負(fù)極 空位 磷烯-石墨烯異質(zhì)結(jié) 充放電性能
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ126.31;TM912
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-21
• 1.1 鋰離子電池發(fā)展概況9-11
• 1.1.1 鋰離子電池產(chǎn)生及發(fā)展9-10
• 1.1.2 鋰離子電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景10-11
• 1.2 鋰離子電池基本構(gòu)造及特性11-12
• 1.2.1 鋰離子電池的工作原理11
• 1.2.2 鋰離子電池的特點(diǎn)11-12
• 1.3 鋰離子電池正極材料12-16
• 1.3.1 氧化鈷鋰（LiCoO_2）13-14
• 1.3.2 氧化鎳鋰（LiNiO_2）14
• 1.3.3 氧化錳鋰（LiMn_2O_4）14-15
• 1.3.4 磷酸鐵鋰（Li FePO_4）15
• 1.3.5 其它正極材料15-16
• 1.4 鋰離子電池負(fù)極材料16-19
• 1.4.1 碳基負(fù)極材料16-17
• 1.4.2 硅基負(fù)極材料17
• 1.4.3 過(guò)渡金屬硫族化合物負(fù)極材料17-18
• 1.4.4 磷烯基負(fù)極材料18-19
• 1.5 選題依據(jù)和內(nèi)容19-21
• 第2章 理論方法與基本原理21-25
• 2.1 第一性原理方法21-23
• 2.1.1 波恩-奧本海默（Born-Oppenheimer）近似21
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn定理21-22
• 2.1.3 Kohn-sham方程22
• 2.1.4 交換關(guān)聯(lián)泛函22-23
• 2.2 過(guò)渡態(tài)理論23-25
• 2.2.1 彈性帶方法23-24
• 2.2.2 輕推彈性帶方法（NEB）24
• 2.2.3 爬坡彈性帶方法（CI-NEB）24-25
• 第3章 晶體磷烯和缺陷的磷烯作為鋰離子電池負(fù)極材料的第一性原理研究25-34
• 3.1 研究背景25
• 3.2 計(jì)算方法與模型25-26
• 3.3 晶體磷烯中鋰的吸附和擴(kuò)散性質(zhì)26-30
• 3.3.1 晶體磷烯中的鋰吸附26-28
• 3.3.2 電子性質(zhì)28-29
• 3.3.3 擴(kuò)散性質(zhì)29-30
• 3.4 缺陷磷烯中鋰的吸附和擴(kuò)散性質(zhì)30-33
• 3.4.1 單空位缺陷磷烯的結(jié)構(gòu)30
• 3.4.2 單空位缺陷磷烯中的鋰吸附30-31
• 3.4.3 電子性質(zhì)31-32
• 3.4.4 擴(kuò)散性質(zhì)32-33
• 3.5 本章小結(jié)33-34
• 第4章 磷烯-石墨烯異質(zhì)結(jié)用作鋰離子電池負(fù)極材料的第一性原理研究34-44
• 4.1 研究背景34
• 4.2 計(jì)算方法與模型34-35
• 4.3 磷烯-石墨烯異質(zhì)結(jié)電化學(xué)性質(zhì)的研究35-43
• 4.3.1 磷烯-石墨烯異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性35-36
• 4.3.2 磷烯-石墨烯異質(zhì)結(jié)中的鋰吸附36-37
• 4.3.3 電子性質(zhì)37-40
• 4.3.4 擴(kuò)散性質(zhì)40-42
• 4.3.5 力學(xué)性質(zhì)42-43
• 4.4 本章小結(jié)43-44
• 第5章 結(jié)論與展望44-46
• 5.1 結(jié)論44-45
• 5.2 展望45-46
• 參考文獻(xiàn)46-55
• 致謝55-56
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文56

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本文編號(hào)：945910