鋰離子進(jìn)入碳納米管改性端口速率的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，優(yōu)良的電能存儲(chǔ)媒介日益成為新能源開(kāi)發(fā)、動(dòng)力電子等應(yīng)用推廣的重要保障。可充放電鋰離子電池因有著優(yōu)異的高質(zhì)能比，較長(zhǎng)的循環(huán)使用壽命正受到越來(lái)越多的研究和應(yīng)用。電極材料作為電池的核心構(gòu)件，其特性對(duì)鋰離子電池的性能有著重大的影響。
　　碳納米管（CarbonNanoTube，CNT）具有獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的電子特性以及極強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，是構(gòu)建鋰離子電池電極的理想材料。CNT的形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)鋰離子電池性能會(huì)

2、產(chǎn)生較大影響，往往會(huì)通過(guò)一定的物理化學(xué)方法切割CNT，作幾何和表面結(jié)構(gòu)的改變。被切割后的端口需結(jié)合分子官能團(tuán)[如氫原子（-H）、羥基（-OH）、氨基（-NH2）、羧基（-COOH）等]才能形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。這些分子官能團(tuán)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電子云的分布將會(huì)影響鋰離子的遷移速率。本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，計(jì)算了形態(tài)結(jié)構(gòu)（如不同碳納米管直徑、端口官能團(tuán)種類(lèi)與數(shù)目）以及外場(chǎng)環(huán)境（如溫度和電場(chǎng)）對(duì)鋰離子在碳納米管端口軸向平均速率VLi的影響規(guī)律。

3、>　　將直徑分別為12.20?[CNT(9,9)]、14.92?[CNT(11,11)]、17.63?[CNT(13,13)]、20.34?[CNT(15,15)]，管長(zhǎng)均為39.35?的四種“扶手椅”型單壁碳納米管置于5.6mol/L的LiCl溶液中，模擬計(jì)算了碳納米管直徑、改性官能團(tuán)類(lèi)型及端口單種官能團(tuán)數(shù)目對(duì)VLi的影響。結(jié)果表明：CNT管徑的增加，使得管內(nèi)流通面積增大，鋰離子的遷移阻力減小，VLi會(huì)逐漸增加；隨著端口官能團(tuán)依次改性

4、為-H、-OH、-NH2、-COOH，鋰離子的遷移阻力會(huì)逐漸增加，VLi則會(huì)依次減小；當(dāng)端口單種非氫官能團(tuán)的數(shù)量逐漸增多時(shí)，VLi會(huì)逐步減小，并且越是影響力大的官能團(tuán)，其個(gè)數(shù)變化對(duì)VLi的影響則越大。
　　選擇端口改性為-H的碳納米管，在不同溫度（278~378K）和電場(chǎng)強(qiáng)度（0.2~1.2V/?）的影響下，模擬計(jì)算了VLi以及鋰離子在碳納米管內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)Di的變化規(guī)律。結(jié)果表明：溫度對(duì)VLi的影響整體上不大，但在不同管徑中的影響存

5、在差異；在較小直徑的碳納米管中引起的速率波動(dòng)相對(duì)較大，但隨著直徑的增大，這種波動(dòng)將逐漸變得平穩(wěn)。盡管溫度對(duì)VLi影響不大，但在碳納米管內(nèi)部形成了有益于鋰離子擴(kuò)散的條件，使其擴(kuò)散系數(shù)增大；電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)碳VLi的影響較大，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，VLi以較大幅度增長(zhǎng)。盡管鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)并沒(méi)有隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而線性增加，而表現(xiàn)出有波動(dòng)的現(xiàn)象，但整體上的走勢(shì)是隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而快速遞增。
　　為了同時(shí)考慮多種因素交互作用下對(duì)計(jì)算結(jié)果的耦合

6、影響，采用正交試驗(yàn)理論，研究CNT直徑、電場(chǎng)強(qiáng)度、溫度以及官能團(tuán)種類(lèi)對(duì)VLi的影響。結(jié)果表明：電場(chǎng)強(qiáng)度影響最大，VLi隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而顯著地增大；其次是官能團(tuán)類(lèi)型。依次將碳納米管端口官能團(tuán)改性為-H，-OH，-NH2以及-COOH，VLi會(huì)逐步降低；接著是碳納米管直徑。隨著管徑的增加，鋰離子的平均速度會(huì)逐漸增加，但增幅有減弱的趨勢(shì)；溫度影響的力度最小。速度先隨溫度的增加而增加，隨后處于一個(gè)波動(dòng)值比較小的水平，對(duì)VLi也沒(méi)有產(chǎn)生顯著性