硅-石墨烯复合锂电极材料的嵌锂机制研究
锂离子电池（LIBs）由于其工作电压高、容量大、可重复充放电等优势，已经被广泛的应用到日常生活的各个领域。作为自然界中丰富的元素，硅拥有着比其他负极材料更高的理论容量，达到4200mAhg-1。但是，在实际应用过程中，硅存在一个巨大的缺陷，那就是在循环充放电的过程中会出现很大的体积变化。这变化使得硅颗粒粉碎并脱离跟电极片的接触，并且难以维持固态电解质间的稳定，迅速导致容量衰减和缩短循环的寿命。于是开始将硅材料制成各种纳米尺度：纳米颗粒、纳米线和纳米管，然后将这些纳米结构嵌入碳笼中形成硅核心碳壳复合结构，这样就有空间来缓解充放电过程中的体积膨胀。石墨烯（Graphene）由于其原子厚度的二维晶体结构、独特的电子结构、高机械强度、高的表面积和优良的电子传导率，对硅碳复合材料来说是极好的碳源。 本文通过第一性原理计算模拟，首先系统研究了硅碳复合结构下的Graphene-Si复合结构作为锂电池负极材料时，锂离子在表面的吸附情况，以及锂离子的迁移和扩散规律和复合材料的嵌锂机制。基于结合能、电荷转移以及电荷差分密度的计算结果，发现锂离子更愿意吸附在复合材料Gra/Si系统中。计算出的系统中锂的均方位移和扩散系数说明锂离子在Gra/Si系统中更容易扩散。结果表明，石墨烯的加入能明显增强硅作为高容量锂电池负极材料的电化学性能。此外，还研究了系统产生不可逆容量的原因。系统嵌满锂后，在石墨烯与硅的界面处，Li-Si和Li-C的键长明显比可逆结构中的键长更短，硅膨胀到最后和石墨烯层也形成了 Si-C 键，这个现象也在径向分布函数中有发现。这些更短的键说明原子之间作用力较强，从而形成相对稳定的不可逆结构。 研究复合材料在原子尺度的嵌锂机制，现阶段对于实验来说很困难。第二部分通过第一性原理计算的态密度、径向分布函数、形成能和电压曲线结果显示，锂原子在硅含量更高的复合结构中结合的更好，这和实验是相吻合的。然后进一步研究了产生系统不可逆容量的机理，发现形成的Si-C键和石墨烯附近的Li-C键是产生不可逆容量的原因。对不同硅含量结构在嵌锂之后的可逆容量进行了预测，并得到了实验的验证。 本文中的相关研究及计算分析方法可以用来评估和设计纳米复合负极材料。
锂离子电池;密度泛函理论;复合锂电极材料;嵌锂机制
温州大学
硕士
机械工程
廖宁波
2018
中文
TM912
2019-01-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）