多尺度模拟用于膜分离与锂离子电池微观过程的机理研究

摘要

随着经济的快速发展，环境污染日益严重，能源危机逐渐突显，人类面临的挑战愈加严峻，因此，环境友好型技术与绿色能源备受关注，社会对其需求也尤为迫切。膜分离与锂离子电池技术被认为是能够有效解决环境与能源问题的前沿技术，对其微观过程的机理深刻理解将会极大的促进这些前沿技术的快速发展。同时，随着计算机硬件与软件技术以及计算机模拟理论的迅猛发展，多尺度模拟在微观机理研究方面的优势也日益显著。因此，本论文通过多尺度模拟研究了膜分离与锂离子电池微观过程的机理，研究结果为膜分离与锂离子电池技术的发展与推广以及环境与能源问题解决提供了一些有益的信息。
　　在膜分离方面，本论文以多孔石墨烯从焦炉煤气中分离氢气为研究体系，研究了孔径、孔的几何形状、气体分子吸附以及偏压对分离过程的影响，探究了多孔石墨烯膜分离的机理。研究显示:孔径、孔的几何形状以及偏压能够显著的影响膜分离的效率，而气体分子吸附在该体系中的影响却十分的微弱;H2穿越多孔石墨烯的过程由熵变化控制，而CO、CH4与H2S则是由内能变化所主导的。研究结果表明多孔石墨烯能够有效的分离焦炉煤气中的氢气，并且研究得到了具有高渗透率和高选择率的孔结构。
　　在锂离子电池方面，本论文研究了传统碳酸酯电解液的微观结构，团簇的种类、分布、氧化电位，以及氟代碳酸乙烯酯(FEC)的添加对传统碳酸酯电解液微观结构和性能的影响。研究表明:电解液短程结构有序，离子与溶剂竞争性参与锂离子配位;电解液的氧化电位由体系中各种团簇的氧化电位共同决定;FEC的添加几乎没有改变锂离子周边短程有序结构，然而却改变了体系中团簇的种类和相对数量，这也使得FEC的添加能够改善高电压锂离子电池的性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 多尺度模拟简介

1．2 膜分离

1．2．1 膜分离简介

1．2．2 多孔石墨烯膜分离的研究进展

1．3 锂离子电池

1．3．1 锂离子电池简介

1．3．2 锂离子电池电解液的研究进展

1．4 选题意义与本论文工作

参考文献

第二章 理论计算方法

2．1 引言

2．2 分子动力学模拟

2．2．1 基本原理与运动方程求解

2．2．2 力场

2．2．3 周期性边界条件

2．3．4 统计系综

2．3．5 温度和压力控制

2．2．6 PMF(Potential of Mean Force)的计算方法

2．3 密度泛函理论(Density Function Theory，DFT)

2．3．1 Hohenberg-Kohn(HK)定理

2．3．2 Kohn-Sham(KS)方程

2．3．3 交换相关泛函

参考文献

第三章 多孔石墨烯膜分离微观过程的机理研究

3．1 引言

3．2 计算细节

3．2．1 分子动力学模拟

3．2．2 密度泛函理论(DFT)计算

3．3 孔径的影响

3．4 气体分子在膜表面吸附的影响

3．5 孔几何形状的影响

3．6 偏压的影响

3．7 机理探究

3．8 小结

参考文献

第四章 锂离子电池微观过程的机理研究

4．1 引言

4．2 计算细节

4．2．1 分子动力学模拟

4．2．1 密度泛函理论(DFT)计算

4．3 离子与溶剂的自扩散系数

4．4 与锂离子相关的径向分布函数

4．5 电解液中团簇的结构与氧化电位

4．6 氟代碳酸乙烯酯添加剂对电解液性质的影响

4．7 小结

参考文献

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

硕士期间的学术研究成果

致谢