石墨烯/二氧化钛复合物作为锂离子电池负极材料的数值模拟

摘要

随着科学技术的发展，世界各国对新型能源的开发和研究日益强烈。目前商业化的锂离子电池负极材料石墨理论容量偏低、循环稳定性差，在高倍率和过充情况下易造成电池短路而发生爆炸，存在较大的安全隐患。因此开发设计高性能锂离子电池负极材料至关重要。本文采用密度泛函理论方法对石墨烯与金红石型二氧化钛复合物作为锂离子电池负极材料进行了以下研究工作:
　　通过故障树分析法定性分析锂离子电池起火原因，提出控制此类事故的预防途径。
　　运用MS软件构建出石墨烯与金红石型TiO2(110)、(100)面的复合模型，在此基础上计算两种复合体系的几何结构和电子结构，并画出TiO2块体与两种复合体系的态密度图，分析可知，石墨烯与金红石型TiO2复合后呈现出金属性，电子非局域化性和导电性能较TiO2有所提高;石墨烯与TiO2(100)表面的结合是相对稳定的。
　　计算研究了单个锂原子在石墨烯与TiO2复合模型中的吸附。具体模拟了单个锂原子在两种复合体系中的稳定嵌锂模型、平均嵌锂电压和态密度，计算得出锂原子在氧间隙位的吸附相对较稳定，与石墨相比平均嵌锂电压较高，嵌锂后作为锂离子电池负极材料更加安全;相比TiO2的平均嵌锂电压，石墨烯与TiO2(110)面结合后有所增加，而与TiO2(100)面复合后变化很小，说明石墨烯与前者复合后材料性能得到明显改善，而与后者复合的协同效应甚微。分析态密度图得出复合物嵌锂后较本体TiO2导电性增强。
　　对多个锂原子在石墨烯与TiO2复合结构的嵌锂性能进行了模拟分析。计算比较了复合结构在不同锂浓度下的总能量和平均嵌锂电压。计算结果表明，锂原子的平均嵌入电压在单锂和多锂条件下比较稳定，而且呈阶梯状，有效的提升了锂离子电池的安全性能和电化学性能。这些性质说明石墨烯/TiO2复合材料作为锂离子电池负极材料具有很好的应用前景。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 锂离子电池负极材料研究的现状

1．3．2 石墨烯与二氧化钛复合材料研究现状

1．4 论文研究的主要内容

2 锂离子电池工作原理及事故分析

2．1 锂离子电池的工作原理

2．2 锂离子电池安全性问题

2．3 事故树分析

2．4 本章小结

3 理论方法与软件简介

3．1 第一性原理计算

3．2 密度泛函理论

3．3 交换关联能

3．4 计算软件简介

3．4．1 Material Studio软件简介

3．4．2 DMol3计算程序包简介

3．5 本章小结

4 石墨烯／TiO2复合物的电子性能研究

4．1 主要计算方法及参数的设置

4．2 石墨烯／TiO2复合物的空间结构

4．3 电子结构分析

4．4 本章小结

5 单个锂原子在石墨烯／TiO2复合物的吸附研究

5．1 主要计算方法及嵌锂模型

5．2 平均嵌锂电压

5．3 电子结构分析

5．4 本章小结

6 多个锂原子在石墨烯／TiO2复合物的吸附研究

6．1 稳定嵌锂模型

6．2 平均嵌锂电压

6．3 电子结构分析

6．4 本章小结

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢