关键词：
碳同素异形体
负极
锂离子电池
第一性原理计算
摘要：
可充电锂离子电池一直是最受欢迎的电化学储能装置之一。负极材料在电池中起着不可或缺的作用,因此寻求更高能量密度的负极材料成为当前热门的研究课题。金属锂最早作为锂电池的负极,但由于反应过程中容易形成枝晶,限制了其进一步应用。因此,这些因素促使研究人员对电池负极材料进行了更深入的探索,并且对潜在的锂离子负极材料关注范围也在不断扩大。
石墨烯是一种碳同素异形体,其结构是由碳原子组成的蜂窝状网格构成。在石墨烯中,碳原子之间通过共价键连接,强共价键合赋予了石墨烯出色的机械强度和高度稳定性。此外,石墨烯具有高电子迁移率、优异的导电性、导热性以及大比表面积等显著优势,并且还具备吸附锂离子于其两侧的特性。因此,开发新型石墨烯负极材料来满足锂离子电池产业的巨大需求具有重要意义。
相对于锂离子电池负极材料而言,石墨基负极材料具备诸多优势;然而,它也存在一些固有缺陷。事实上,石墨烯能够形成sp和sp2杂化键合网络,从而促使了石墨烯同素异构体的生成。虽然已经报道了使用二维碳同素异形体作为锂离子电池的负极材料,但提高这些材料的倍率性能仍然是一个重要挑战。最近研究发现,在不引入杂质的情况下,增加局部碳环无序程度可以有效提高石墨烯的锂存储容量,并在其基面上引入更多缺电子区域。因此,在锂离子电池电极材料中采用完全或部分由非六边形碳环组成的二维碳同素异形体具有巨大应用潜力。近年来,理论研究相继提出许多有序和高对称性的非六边形碳环排列石墨烯基材料,如五边形石墨烯、Ψ-石墨烯等。然而,具有高度局部碳环无序的二维碳同素异形体仍鲜有报道。
本论文采用第一性原理计算方法,提出了一种新型的二维无六边形碳同素异形体C358X,并且系统地探究了C358X合成的可能性及作为电极材料的高应用性能,在研究中取得如下重要研究成果:
1、新型无六边形碳同素异形体C358X的局域碳环无序程度较高,导致其基面上出现许多局部缺电子区和局部应变区。新型无六边形碳同素异形体C358X具有良好的热动力学稳定性,能承受高达1500 K的高温,具有较强的安全性和循环效率。
2、新型无六边形碳同素异形体C358X具有相当高的面内刚度,可以降低锂吸附时可能发生的严重体积膨胀。同时其金属性对外界应变有很强的抵抗能力,在沿晶相a方向9%应变和沿晶相a⊥方向6%应变范围内,本征金属性保持不变。
3、新型无六边形碳同素异形体C358X具有丰富的锂离子吸附活性位点,锂原子扩散势垒仅为0.29 e V,使得其具有良好的充放电速率;其平均开路电压为0.31V,有利于提高电池的工作电压;局域碳环无序产生许多缺电子区,使得其具有容纳更多锂离子的能力,理论容量高达1116.7 mA·h/g,是一种有广阔应用前景的高容量锂离子电池负极材料。
这项工作不仅为锂离子电池提供了一种新型高性能纯碳负极材料,有助于深入理解非六角碳环对石墨烯基底锂离子吸附的机制,同时也将推动二维碳基负极材料在低成本锂离子电池中的广泛应用。
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