锂离子在石墨烯微片基纳米复合电极材料中的储存容量、储存机制和迁移机制的理论研究

Rechargeable Li-ion batteries (LIB) have attracted the most attention due to their high energy density, high power density, and so on, and are considered to be applied to a wider range of areas. At present, the main problem of high capacity LIB is the cycle stability and security, which urges people to understand the mechanism of Li-ion storage and diffusion in the electrode materials and the diffusion mechanism at the interface between the electrode and electrolyte. The present study results show that graphene nanoplatelets are the potential electrode materials with high Li-ion storage ability. In this work, we will investigate the atomic microstructures of nanocomposites formed by graphene nanoplatelets and Si (S, Ge, Sn), and analyze the storage capacity, storage mechanism and diffusion mechanism by the combination of molecular dynamics simulation and first principles calculations. With molecular dynamics methods, we will simulate the interaction and atomic microscopic structure between electrolyte molecules and graphene nanoplatelets and its composite nanomaterials, and analyze the diffusion mechanism of Li-ion at the interface under electric field. This research will provide the theoretical guidance for experimental study on graphene nanoplatelets and its nanocomposites and help to understand the cycle stability and security of high capacity LIB.

锂离子电池因具有较高的比能量和比功率密度等优点，被认为可应用到更广泛的领域。目前高容量锂离子电池主要的问题是其循环的稳定性与安全性，这促使人们需要对锂离子在电极材料中的储存和迁移机制以及电极与电解质界面处的迁移机制的理解。目前研究结果显示石墨烯微片是潜在的锂离子电池高效电极材料。本课题将通过结合分子动力学模拟和第一性原理计算来研究石墨烯微片与S、Si、Ge、Sn等材料形成的复合结构的原子分布，分析锂离子在这些复合材料中的储存容量、储存机制和迁移机制。通过分子动力学模拟石墨烯微片和其复合纳米材料与电解质分子的相互作用和微观结构，分析锂离子在电场作用下在界面处的迁移机制，为石墨烯微片及其复合材料的实验研究提供理论指导，为高效锂离子电池的循环的稳定性与安全性提供理论理解。

探索高效的储能设备，如电池和超级电容是目前科学研究的一个重要前沿领域。本项目以设计高效电池电极材料为研究主题，主要通过结合分子动力学模拟和第一性原理计算来研究石墨烯微片及石墨烯微片与其它特性材料形成的复合材料，分析锂离子和钠离子在这些材料中的储存容量、储存机制和迁移机制。我们设计了石墨烯的缺陷模型以及边界态模型，利用密度泛函方法模拟并建立了锂离子空位缺陷储存机制以及边界储存机制。发现空位能提高锂离子在石墨烯上的储存含量，锂在空位石墨烯上的储量是石墨的3倍左右。把这种储存机制运用于钠离子电池，发现钠在空位石墨烯上的储量是石墨的10-30倍。我们研究了石墨烯微片与硫、硅烯、V-基多金属氧酸盐与和硫化锡形成的纳米复合结构，探索了界面效应以及锂、钠离子在这些复合结构中的储存和迁移机制。在这些复合结构中，发现石墨烯形成导电网络，在锂、钠离子脱嵌过程中，形成物质约束机制，从而提高了电极的循环稳定性。我们发现空位石墨烯可应用于Li-S电池正极，硅烯与石墨烯复合是潜在的具有高锂离子和钠离子储量的负极材料，V-基多金属氧酸盐与石墨微片复合是潜在的高效钠正极材料，硫化锡与石墨烯复合通过赝电容机制具有高的容量，是潜在的高效钠负极材料。