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锂离子电池负极材料石墨嵌锂行为的第一性原理研究

作 者: 胡军平
导 师: 欧阳楚英
学 校: 江西师范大学
专 业: 凝聚态物理
关键词: 锂离子电池 第一性原理计算 石墨负极材料 电子结构 嵌锂电位
分类号: TM912
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


基于密度泛函理论,本文采用第一性原理超软赝势方法结合广义梯度近似方法研究了单层石墨和双层石墨的嵌锂行为。一﹑对锂离子电池负极材料石墨及其嵌锂结构的体相原子几何结构和电子结构进行了理论研究。给出了其结构﹑态密度﹑能带结构及生成能和平均嵌锂电压等。研究表明,双层石墨通过改变C-C层间距和C-C键长来达到最稳定的状态。电子结构分析表明,石墨及嵌锂石墨是良好的导体。随着石墨嵌锂数的增加,平均嵌入电压降低,当嵌锂状态达到Li6C36时,其平均嵌入电压接近0 V,说明LiC6是石墨嵌锂的理论极限,结果和实验吻合。二﹑为了考查单层石墨作为锂离子电池负极材料的可能应用,对单层石墨的原子结构和电子结构进行了理论研究。分析了其结构﹑态密度﹑能带结构及锂离子的吸附能等。计算表明,单层石墨在锂原子的吸附高度为1.71?时,锂原子在碳六元环中心位置时的吸附能量最低;从总的态密度图中可以看出单层石墨的几种嵌锂结构都具有金属性,是良好的导体。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
1. 引言  7-14
  1.1 锂离子电池的诞生与发展  8-12
    1.1.1 金属锂电池简介  8-9
    1.1.2 锂离子电池的诞生与发展  9
    1.1.3 锂离子电池的工作原理  9-11
    1.1.4 锂离子电池的性能特点  11-12
  1.2 碳负极材料石墨  12-13
  1.3 本论文的研究内容  13-14
2 第一性原理计算方法简述  14-25
  2.1 固体物理中的基本概念  14-16
  2.2 绝热近似  16-17
  2.3 密度泛涵理论  17-22
    2.3.1 Tomas-Fermi 模型  18
    2.3.2 Hohenberg-Kohn 定理  18
    2.3.3 Kohn-Sham 方程  18-20
    2.3.4 局域密度近似与广义梯度近似  20-21
    2.3.5 自洽计算  21-22
  2.4 赝势平面波方法  22
  2.5 能带电子的平面波基底展开  22-23
  2.6 结构优化  23
  2.7 VASP 软件包的简单介绍  23-25
3 双层石墨嵌锂行为的第一性原理研究  25-31
  3.1 引言  25
  3.2 计算理论和方法  25-27
  3.3 计算结果与讨论  27-30
    3.3.1 晶体结构  27-28
    3.3.2 平均嵌入电压  28
    3.3.3 电子结构  28-30
  3.4 结论  30-31
4 单层石墨吸附锂行为的第一性原理研究  31-39
  4.1 引言  31
  4.2 单个锂原子在单层石墨表面的吸附  31-34
    4.2.1 单层石墨模型  31-32
    4.2.2 单个锂原子吸附于单层石墨表面  32-33
    4.2.3 电荷密度  33-34
  4.3 多个锂原子在单层石墨表面的吸附  34-36
    4.3.1 多个锂原子吸附几种模型  34-36
    4.3.2 多个锂原子吸附驰豫后能量和吸附高度  36
  4.4 锂原子吸附的电子结构  36-38
    4.4.1 锂原子吸附的态密度  36-37
    4.4.2 锂原子吸附的能带  37-38
  4.5 结论  38-39
结论  39-40
参考文献  40-44
在学期间论文发表情况  44-45
致谢  45

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术(直接发电) > 蓄电池
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