【摘 要】
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近年来,鉴于传统化石能源危机和环境污染问题,寻找可再生、低成本、低污染和高性能储能材料,已经成为新能源开发领域的主要研究方向。二维过渡金属硫化物（TMDs）在用作金属离子电池的负极材料时,具有稳定的电压窗口,较高的理论容量,优异的导电性能以及较高的离子迁移速率等,因此受到学术界和工业界的广泛关注,被寄希望于应用到下一代能源储存技术中。本文通过第一性原理计算,对二维单层NbS2和NbS2/WS2异质
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近年来,鉴于传统化石能源危机和环境污染问题,寻找可再生、低成本、低污染和高性能储能材料,已经成为新能源开发领域的主要研究方向。二维过渡金属硫化物（TMDs）在用作金属离子电池的负极材料时,具有稳定的电压窗口,较高的理论容量,优异的导电性能以及较高的离子迁移速率等,因此受到学术界和工业界的广泛关注,被寄希望于应用到下一代能源储存技术中。本文通过第一性原理计算,对二维单层NbS2和NbS2/WS2异质结作为碱/碱土金属离子电池负极材料的性能进行了理论模拟和预测。第一章主要概述了碱/碱土金属离子电池和二维材料及其异质结的研究现状。第二章主要介绍了第一性原理计算软件的理论基础和方法。第三章主要探索二维单层NbS2作为碱金属离子电池负极材料的电化学性能,采用第一性原理计算研究了Li、Na、K、Mg、Ca和Al的离子吸附和迁移性能。单层NbS2材料在金属离子吸附时表现出高结构稳定性,与此同时,还具备低至0.20（Li）、0.09（Na）、0.06（K）、0.51（Mg）、0.37（Ca）和0.39 e V（Al）的金属离子扩散能垒。单层NbS2可以稳定吸附两层Li、Na和Mg,一层K和Ca,以及1/9层的Al离子,其理论容量分别为580.14、430.56、843.23、227.87、451.98和55.83 m Ah?g-1。这些结果表明,单层NbS2可作为Li、Na、K、Mg和Ca离子电池合适的负极材料,其平均开路电压分别为1.34、1.06、1.38、0.28和0.84 V。第四章主要研究了NbS2/WS2异质结作为锂离子电池及镁离子电池负极材料的电化学性能。计算结果表明,构建的NbS2/WS2异质结是热力学稳定的,具有金属导电性和较高的Mg离子迁移速率。通过研究金属离子在NbS2/WS2异质结构表面吸附,证实了异质结的形成保留了离子在NbS2层稳定的吸附性。此外,Li和Mg离子在异质结中WS2表层的扩散能垒分别为0.25和0.18 e V,其中Li离子的扩散能垒与其在单层NbS2表面相似,而Mg离子的扩散能垒显著降低。NbS2/WS2异质结可以稳定吸附六层Li和四层Mg,其理论容量分别为359.95和428.18 m A?h?g-1。同时,Li和Mg均表现出了较低的平均开路电压,分别为1.33和0.55 V。本文从理论角度系统地探索了单层TMDs材料及基于其的范德瓦尔斯异质结应用于电池负极材料的储能性质,从电子结构和迁移机制角度解析了此类材料与金属离子的相互作用,为此类材料和异质结在新一代金属离子电池中的应用提供有益的参考价值。
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