第一性原理方法研究鋁基金屬間化合物的嵌鋰機理.pdf

1、本論文在國家自然科學(xué)基金項目“原位X射線衍射法研究鋁基金屬間化合物鋰化反應(yīng)機制”(項目批準(zhǔn)號：50371103)的資助下，采用第一原理從熱力學(xué)角度計算分析了A1、Al<,2>Cu、AlSb用作鋰離子電池負(fù)極材料時可能發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，同時采用XRD，SEM及恒電流充放電等方法研究了鋁及鋁基金屬間化合物的嵌脫鋰性能及其組織結(jié)構(gòu)變化，探討了其鋰化反應(yīng)機制，得出了如下的結(jié)論： 1．熱力學(xué)計算表明鋰嵌入到純鋁負(fù)極時最易發(fā)生的鋰化反應(yīng)為L

2、i+Al → LiAl，與實驗測試的電化學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu)分析結(jié)果相吻合。通過實驗發(fā)現(xiàn)控制嵌鋰容量，可以提高充放電效率，從而改善因體積膨脹而導(dǎo)致的充放電效率低的問題。 2．鋰與金屬間化合物Al<,2>Cu發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)可能存在5種形式，其中最易發(fā)生的鋰化反應(yīng)為Li+Al<,2>Cu→LiAl+AlCu。Al<,2>Cu與金屬鋰對電極組成的紐扣電泄的電化學(xué)性能測試和組織結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進一步確認(rèn)了Al<,2>Cu電極材料的這一鋰化反應(yīng)

3、機理。 3．通過對比鋰嵌入AlSb電極的電壓vs質(zhì)量比容量的理論計算曲線圖與實驗曲線圖，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋰在嵌入到AlSb的晶體結(jié)構(gòu)時，首先占據(jù)的是其中的間隙位置，然后隨著嵌鋰容量的增加，當(dāng)占據(jù)完全部間隙位置后，鋰可以進一步取代AlSb中A1從而形成富鋰相Li3Sb。同時研究還發(fā)現(xiàn)，鋰嵌入到AlSb間隙位置時所引起的體積膨脹率較小，這對提高鋁基金屬間化合物電極的充放電效率和循環(huán)性能是非常有益的。通過分析鋰嵌入AlSb前后的能帶結(jié)構(gòu)圖和態(tài)密