论文部分内容阅读
新能源技术对于实现未来的可持续能源发展至关重要。可充电锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长和对环境无污染等优点,已被广泛应用于便携式电子设备和动力储能系统。由于负极材料一直被认为是锂离子电池的核心部分,其性能的优劣与电池的整体性能直接相关,因此开发更高性能的负极材料具有十分重要的意义。二维材料由于具有较大的表面积,有利于离子的扩散并提高存储容量,已经成为锂离子电池负极材料的重点研究方向。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理系统研究了新型二维B2P2的力学性能及其在锂离子电池负极材料中的应用,主要结果如下:（1）单层B2P2的力学性能。首先利用声子谱和第一性原理分子动力学验证了单层B2P2的稳定性。然后通过能量法拟合出单层B2P2的力学参数,包括杨氏模量、剪切模量和泊松比。结果表明,单层B2P2沿x和y方向的杨氏模量分别为421.5和374.1 GPa,泊松比分别为0.255和0.227,表现为各向异性,剪切模量为51.2 GPa。与超硬材料石墨烯相比,单层B2P2属于一种软材料。此外,还计算了单层B2P2的应力-应变关系曲线,结果表明单层B2P2在x和y方向分别能承受21%和15%的最大拉伸应变,相应的极限强度为44和35.6 GPa。（2）二维B2P2在锂离子电池负极材料中的应用。首先计算了单层B2P2对锂离子的吸附性质以及理论存储容量,结果表明单层B2P2表面存在两个稳定的吸附位点,对锂离子的吸附能分别为-1.06和-0.81 e V,并且具有极高的理论容量,为1282.7 m Ah/g。其次,计算了锂离子在单层B2P2上的扩散性质,结果表明单层B2P2的表面存在三条扩散路径,且锂离子在这三条路径上的扩散能垒大约均为0.5 e V,表现为近似各向同性传输。此外,锂化前后的单层B2P2的结构也发生了变化,由之前的类石墨烯平面结构转变为类磷烯结构。因此,还计算了锂离子在结构转变后的单层B2P2上的扩散性质,结果表明结构转变使得锂离子在磷原子区域的扩散能垒从0.5 e V下降到0.12～0.14 e V,从而改善了锂离子的输运性质。利用改变层间堆垛方式构建了4种双层B2P2模型,并研究了锂离子在最稳定的双层模型层之间的吸附与扩散性质。