理论研究S、N掺杂石墨烯在锂（钠）离子电池电极材料中的应用

摘要

储能设备的性能是可再生能源利用的关键因素之一，而目前运用最广泛的移动储能设备——锂电池——电极材料性能已经发挥到了极致，新一代高性能储能锂电池电极材料亟待开发。另一方面，钠具有和锂元素相似的电化学性质，且价格低廉、储量丰富，是一种潜在的金属离子电池材料。因此，为了寻找更多具有优良性能的电池电极材料，本论文从理论上探索了部分掺杂石墨烯结构在锂（钠）离子电池中的应用。论文首先简单介绍了新能源材料、锂（钠）离子电池的发展以及石墨烯在储能领域的应用;然后对材料计算模拟的发展、理论基础和部分软件进行了说明;最后采用密度泛函理论(DFT)计算，研究了S掺杂石墨烯对Li原子的吸附存储;探索了N掺杂石墨烯对Na原子吸附存储，并分析了其在新型Na-S电池电极中的潜在应用。主要研究成果分为下面三个部分:
　　(1)构建了S掺杂石墨烯结构，并对其进行几何优化。研究了S掺杂对石墨烯的结构及性能的影响和Li原子在石墨烯和S掺杂石墨烯(Sd1、Sd2、Sd3)结构上的存储机理。结果表明S掺杂可提高石墨烯的导电性，改善了石墨烯的电化学活性，有利于提高Li原子在石墨烯片层中的吸附容量，其中Sd2结构可以稳定吸附7个Li原子，而含氧的Sd3结构至少可以稳定吸附8个Li原子。
　　(2)构建了N掺杂石墨烯结构，并对其进行了几何优化。研究了Na原子在石墨烯和N掺杂石墨烯（GG、PIG和PRG）结构上的存储机理。从计算结果中得知N掺杂引入的缺陷结构有利于Na原子存储，6个Na原子可以被稳定吸附在N掺杂石墨烯PIG和PRG结构中，而在石墨烯和GG中无法有效吸附。
　　(3)研究了新型Na-S电池电极反应产物多硫化钠(Na2Sx)分子结构和其在N掺杂石墨烯（GG、PIG和PRG）结构上的吸附。首先计算优化出Na2Sx最稳定的分子结构，根据这些结构，计算了其在石墨烯、GG、PIG和PRG上的吸附能(Ead)，结果表明N掺杂引入的缺陷结构有利于Na2Sx分子吸附，从而可以抑制其在有机电解液中的溶解，有效缓解新型Na-S电池的“穿梭效应”。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 新能源材料

1．2 电池材料简介

1．2．1 锂离子电池

1．2．2 钠离子电池

1．3 石墨烯简介

1．3．1 概述

1．3．2 石墨烯在储能器件中应用

1．3．3 掺杂石墨烯的化学改性

1．4 本文主要研究工作和目标

第二章 计算模拟方法

2．1 第一性原理

2．2 密度泛函理论

2．2．1 Thomas-Fermi-Dirac近似

2．2．2 Hohenberg-Kohn定理

2．2．3 Kohn-Sham方程

2．2．4 自洽迭代计算

2．2．5 交换关联泛函

2．3 计算软件包简介

第三章 硫掺杂石墨烯对Li原子吸附性能研究

3．1 引言

3．2 计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 硫掺杂石墨烯

3．3．2 硫掺杂石墨烯对Li原子的吸附机制

3．3．3 硫掺杂石墨烯储Li容量

3．4 本章小结

第四章 氮掺杂石墨烯对Na原子的吸附性能研究

4．1 引言

4．2 计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 Na原子的吸附机理

4．3．2 Na原子的存储容量

4．4 本章小结

第五章 氮掺杂石墨烯在对多硫化钠Na2Sx吸附性能研究

5．1 引言

5．2 计算方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 多硫化钠Na2Sx(1≤x≤4)的几何结构

5．3．2 氮掺杂石墨烯对Na2Sx的吸附研究

5．4 本章小结

第六章 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

硕士期间学术成果