鋰離子電池負極材料儲鋰機制的第一性原理研究.pdf

1、鋰離子電池（LIBs）因為其高可逆容量、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備和電動設備。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，便攜式設備長待機時間和動力設備的大容量需求對鋰離子電池的功率、能量密度和充放電速率等性能的實際要求越來越高。目前廣泛用于負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)展新型高效負極材料成為了促進鋰離子電池技術快速發(fā)展的關鍵。超薄二維納米結構由于自身的柔韌性、高表面積及

2、超短離子傳輸距離，已成為構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構磷烯，由于其適當?shù)膸秾挾龋?.5eV~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注。
　　本文系統(tǒng)研究了磷烯及其異質(zhì)結構充放電過程中的結構相變特征、鋰離子的遷移和擴散規(guī)律以及嵌鋰和脫鋰機制，分析了缺陷和異質(zhì)結構對其容量、導電性能、以及循環(huán)性能

3、的改善作用，以期為鋰離子電池電極材料的設計與優(yōu)化提供理論指導。主要研究內(nèi)容如下：
　　1、磷烯中鋰離子的擴散規(guī)律研究。為了研究磷烯材料用于鋰離子電池負極材料的可行性，同時考慮到材料制備中可能出現(xiàn)的材料缺陷問題，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)擴散速率（Eb=0.09 eV）、充放電時體積改變小等優(yōu)點。對缺陷磷烯的研究發(fā)現(xiàn)，

4、相比于晶體磷烯而言，其電化學性能得到了極大的改善。鋰在缺陷磷烯空位附近的結合能比在晶體磷烯中增加了大約1 eV。此外，空位的引進打開了一個新奇的槽間擴散通道，其擴散勢壘僅為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)結構的鋰電性能研究。針對導電性差，比容量不足等二維負極材料中廣泛存在的問題，系統(tǒng)的研究了磷烯-石墨烯異質(zhì)結構對單層磷烯電化學性質(zhì)的改善作用。計算結果表明磷烯-石墨烯異質(zhì)結不但能夠保持在