【摘 要】
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硅材料具有超高的嵌锂容量,被认为是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料,因此受到了研究者的广泛关注。硅负极材料中的离子输运是影响其倍率性能的关键问题。本文利用第一性原理的方法研究了界面和微结构两大因素对锂-硅合金中的锂离子输运的影响,进一步探索了硅负极材料中的离子输运机理。本论文首先研究了锂离子在硅-石墨烯复合体系中的横向迁移和纵向扩散性质。迁移势垒的计算结果表明,石墨烯的包覆可以有效降低锂离子在碳
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硅材料具有超高的嵌锂容量,被认为是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料,因此受到了研究者的广泛关注。硅负极材料中的离子输运是影响其倍率性能的关键问题。本文利用第一性原理的方法研究了界面和微结构两大因素对锂-硅合金中的锂离子输运的影响,进一步探索了硅负极材料中的离子输运机理。本论文首先研究了锂离子在硅-石墨烯复合体系中的横向迁移和纵向扩散性质。迁移势垒的计算结果表明,石墨烯的包覆可以有效降低锂离子在碳-硅复合体系界面处的迁移势垒,从而促进锂离子的横向迁移。扩散系数的研究结果表明石墨烯的包覆增加了锂离子的纵向扩散系数,使得锂离子更倾向于往硅材料内部扩散。锂离子输运不仅受到外部材料包覆的影响,而且与内部的微结构密切关联。因此本文还研究了硅的微结构对锂离子扩散的影响。我们选取了两种具有不同嵌锂浓度的非晶态锂-硅合金LiSi和Li2Si,统计了锂-硅合金中由硅原子组成的环状,小型团簇和链状等硅微结构的数量,分析了硅微结构与锂离子扩散系数的关系。研究结果表明,硅的微结构数量越少,即原子的聚集程度越大,锂离子扩散系数越大;反之硅的微结构数量越多,即原子的聚集程度越小,锂离子扩散系数越小。
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