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《中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)》 2016年
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阳离子-π作用对基于碳纳米管的锂离子电池电压的影响

高韶华  
【摘要】:阳离子-π作用在分子识别,酶催化反应,蛋白质分子结构的稳定,药物设计,生物膜等许多过程中起着非常重要的作用。这种相互作用广泛存在于阳离子与π电子丰富的碳基材料,如芳香环,碳纳米管,石墨烯,富勒烯等。阳离子-π相互作用对这些π电子丰富的材料的性质和应用有很大的影响,具体表现在表面和界面的电荷行为,润湿行为,离子分布,有机污染物的吸附和离子的吸附和扩散行为。在本世纪一项主要的挑战就是如何以一种良好的高倍率充放电性能,高电容量,高能量密度,高循环寿命的方法来储存电能。随着纳米技术的发展,特别是在过去几十年纳米结构制造技术的发展,为提高材料储存能量的性质提供了一种新的方法。研究结果表明,与以石墨烯为碳纳米管阳极的锂离子电池相比,以碳纳米管为阳极的锂离子电池是未来最有希望的电化学能量储存系统之一。在基于碳纳米管的锂离子电池中,锂离子与碳纳米管之间主要是阳离子-π相互作用。但是,目前人们还不知道这种相互作用对以碳管为阳极的锂离子电池的影响。在这项研究工作中,我们利用密度泛函理论系统的研究了阳离子-π作用对以碳纳米管为阳极的锂离子电池的影响。我们发现阳离子-π相互作用有利于提高锂离子电池的电压。当我们同时考虑Li+-π和Li-π相互作用时,锂离子电池电压随着碳纳米管半径的增加而增加。另外,当锂离子吸附在碳纳米管外壁时,锂离子电压比吸附在内壁时电压大。这些结果表明,使用半径比较大和堆积密度比较小的碳纳米管有利于提高锂离子电池的储能性能。锂离子吸附在(10,10)碳纳米管管外壁的电压比锂离子吸附在(4,4)碳纳米管内部时的电压提高了0.44 V,也即是提高了38%。这表明通过合理的设计我们可以大幅度提高以碳管为基的锂离子电池的能量密度。
【关键词】:阳离子-π作用 锂离子电池 碳纳米管 电池电压 密度泛函理论
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O613.71;TM912
【目录】:
  • 摘要5-6
  • ABSTRACT6-9
  • 第一章 绪论9-19
  • 1.1 阳离子-π 相互作用简介9-10
  • 1.2 锂离子电池简介10-16
  • 1.2.1 锂离子电池的工作原理11-12
  • 1.2.2 锂离子电池的工作特点12-14
  • 1.2.3 碳纳米管作为锂离子电池阳极的优缺点14-16
  • 1.4 本论文的研究思路及内容16-19
  • 1.4.1 研究思路16
  • 1.4.2 研究内容及意义16
  • 1.4.3 研究意义16-19
  • 第二章 研究方法―――第一性原理的密度泛函理论19-27
  • 2.1 密度泛函理论的基础19-22
  • 2.1.1 Hohenberg-Kohn定理和Kohn-sham方程19-20
  • 2.1.2 交换关联泛函20-22
  • 2.1.3 密度泛函理论的扩展22
  • 2.1.4 密度泛函理论的应用22
  • 2.2 常用计算软件包22-25
  • 2.2.1 Gaussian23
  • 2.2.2 VASP23
  • 2.2.3 Materials Studio23-24
  • 2.2.4 SIESTA24
  • 2.2.5 WIEN2k24
  • 2.2.6 Quantum Espresso24-25
  • 2.3 理论计算方法的选取25-27
  • 2.3.1 计算方法及计算软件选取25
  • 2.3.2 锂离子/锂原子—碳纳米管计算模型简介25-27
  • 第三章 阳离子-π 作用对基于碳纳米管的锂离子电池电压的影响27-37
  • 3.1 锂离子和锂原子在碳纳米管表面的吸附27-32
  • 3.1.1 锂离子与锂原子与碳纳米管之间的吸附能27-29
  • 3.1.2 锂离子与锂原子碳纳米管作用的物理机制29-31
  • 3.1.3 锂离子和锂原子在最稳定吸附位置吸附能的变化31-32
  • 3.2 以碳纳米管为阳极时锂离子电池的电压32-35
  • 3.2.1 以碳纳米管为阳极时锂离子电池电极反应式32
  • 3.2.2 阳离子-π 作用对基于碳纳米管的锂离子电池电压的影响32-33
  • 3.2.3 电池电压随碳纳米管半径的变化33-35
  • 3.3 本章小结35-37
  • 第四章 总结与展望37-39
  • 4.1 总结37
  • 4.2 展望37-39
  • 参考文献39-41
  • 硕士期间发表的文章41-43
  • 致谢43-44

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