硅-石墨烯复合锂电极材料的嵌锂机制研究

《硅-石墨烯复合锂电极材料的嵌锂机制研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、分类号：QT152UDC：28学号：15461472078密级：公开温州大学硕士学位论文硅-石墨烯复合锂电极材料的嵌锂机制研究作者姓名：周峰培养类型：专业型专业名称：机械工程研究方向：MEMS与光电器件技术指导教师：廖宁波完成日期：2018年5月温州大学学位委员会温州大学学位论文独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得温州大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任

2、何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文作者签名：日期：年月日温州大学学位论文使用授权声明本人完全了解温州大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权温州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本人在导师指导下完成的论文成果，知识产权归属温州大学。保密论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日硅-石墨烯复合锂电极材料的嵌锂机制研究摘要锂离子电池（LIBs

3、）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-14200mAhg。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

4、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

5、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I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

6、。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。关键词：锂电池，负极材料，硅-石墨烯复合材料，密度泛函理论，嵌锂机制IIASTUDYOFLITHIATIONMECHANISMOFSI-GRAPHENECOMPOSITEANODEFORLITHIUM-IONBATTERIESABSTRACTLithium-ionbatteries(LIBs)haveattractedgreatattentioninrecentyearsduetotheirwiderangeofappli

7、cations.Asanaturallyabundantelement,Siliconisapromisinganodematerialforlithium-ionbatteries.ThereasonwhySihasattractedconsiderableattentionisthatithasthehighesttheoreticalspecificcapacityamongallexitinganodes,whichcan-1reach4200mAhg.Unfortunately,majorobstaclehinderingpracticalapp

8、licationofsiliconanodeisassociate