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《硅-石墨烯復合鋰電極材料的嵌鋰機制研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在學術論文-天天文庫。
1、分類號：QT152UDC：28學號：15461472078密級：公開溫州大學碩士學位論文硅-石墨烯復合鋰電極材料的嵌鋰機制研究作者姓名：周峰培養(yǎng)類型：專業(yè)型專業(yè)名稱：機械工程研究方向：MEMS與光電器件技術指導教師：廖寧波完成日期：2018年5月溫州大學學位委員會溫州大學學位論文獨創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得溫州大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任
2、何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。論文作者簽名：日期：年月日溫州大學學位論文使用授權聲明本人完全了解溫州大學關于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權溫州大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本人在導師指導下完成的論文成果，知識產權歸屬溫州大學。保密論文在解密后遵守此規(guī)定。論文作者簽名：導師簽名：日期：年月日日期：年月日硅-石墨烯復合鋰電極材料的嵌鋰機制研究摘要鋰離子電池（LIBs
3、）由于其工作電壓高、容量大、可重復充放電等優(yōu)勢，已經被廣泛的應用到日常生活的各個領域。作為自然界中豐富的元素，硅擁有著比其他負極材料更高的理論容量，達到-14200mAhg。但是，在實際應用過程中，硅存在一個巨大的缺陷，那就是在循環(huán)充放電的過程中會出現(xiàn)很大的體積變化。這變化使得硅顆粒粉碎并脫離跟電極片的接觸，并且難以維持固態(tài)電解質間的穩(wěn)定，迅速導致容量衰減和縮短循環(huán)的壽命。于是開始將硅材料制成各種納米尺度：納米顆粒、納米線和納米管，然后將這些納米結構嵌入碳籠中形成硅核心碳殼復合結構，這樣就有空間來緩解充放電過程中的體積膨脹。石墨烯（Graphene）由于其
4、原子厚度的二維晶體結構、獨特的電子結構、高機械強度、高的表面積和優(yōu)良的電子傳導率，對硅碳復合材料來說是極好的碳源。本文通過第一性原理計算模擬，首先系統(tǒng)研究了硅碳復合結構下的Graphene-Si復合結構作為鋰電池負極材料時，鋰離子在表面的吸附情況，以及鋰離子的遷移和擴散規(guī)律和復合材料的嵌鋰機制?；诮Y合能、電荷轉移以及電荷差分密度的計算結果，發(fā)現(xiàn)鋰離子更愿意吸附在復合材料Gra/Si系統(tǒng)中。計算出的系統(tǒng)中鋰的均方位移和擴散系數(shù)說明鋰離子在Gra/Si系統(tǒng)中更容易擴散。結果表明，石墨烯的加入能明顯增強硅作為高容量鋰電池負極材料的電化學性能。此外，還研究了系統(tǒng)
5、產生不可逆容量的原因。系統(tǒng)嵌滿鋰后，在石墨烯與硅的界面處，Li-Si和Li-C的鍵長明顯比可逆結構中的鍵長更短，硅膨脹到最后和石墨烯層也形成了Si-C鍵，這個現(xiàn)象也在徑向分布函數(shù)中有發(fā)現(xiàn)。這些更短的鍵說明原子之間作用力較強，從而形成相對穩(wěn)定的不可逆結構。研究復合材料在原子尺度的嵌鋰機制，現(xiàn)階段對于實驗來說很困I難。第二部分通過第一性原理計算的態(tài)密度、徑向分布函數(shù)、形成能和電壓曲線結果顯示，鋰原子在硅含量更高的復合結構中結合的更好，這和實驗是相吻合的。然后進一步研究了產生系統(tǒng)不可逆容量的機理，發(fā)現(xiàn)形成的Si-C鍵和石墨烯附近的Li-C鍵是產生不可逆容量的原因
6、。對不同硅含量結構在嵌鋰之后的可逆容量進行了預測，并得到了實驗的驗證。本文中的相關研究及計算分析方法可以用來評估和設計納米復合負極材料。關鍵詞：鋰電池，負極材料，硅-石墨烯復合材料，密度泛函理論，嵌鋰機制IIASTUDYOFLITHIATIONMECHANISMOFSI-GRAPHENECOMPOSITEANODEFORLITHIUM-IONBATTERIESABSTRACTLithium-ionbatteries(LIBs)haveattractedgreatattentioninrecentyearsduetotheirwiderangeofappli
7、cations.Asanaturallyabundantelement,Siliconisapromisinganodematerialforlithium-ionbatteries.ThereasonwhySihasattractedconsiderableattentionisthatithasthehighesttheoreticalspecificcapacityamongallexitinganodes,whichcan-1reach4200mAhg.Unfortunately,majorobstaclehinderingpracticalapp
8、licationofsiliconanodeisassociate
