鋰離子電池負(fù)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(shè)備和電動設(shè)備。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，便攜式設(shè)備長待機時間和動力設(shè)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(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

2、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(guān)注。
　　本文系統(tǒng)研究了磷烯及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)充放電過程中的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對其容量、導(dǎo)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(shè)計與優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。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(fù)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(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(jié)構(gòu)的鋰電性能研究。針對導(dǎo)電性差，比容量不足等二維負(fù)極材料中廣泛存在的問題，系統(tǒng)的研究了磷烯-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)對單層磷烯電化學(xué)性質(zhì)的改善作用。計算結(jié)果表明磷烯-石墨烯異質(zhì)結(jié)不但能夠保持在