【摘 要】
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随着电子科技的进步,从智能手机到笔记本电脑,锂离子电池（LIBs）在便携式储能系统的应用中取得了飞跃发展。作为金属离子电池最重要的部件之一,阳极材料本身的性质在很大程度上决定了LIBs的性能及表现。LIBs的阳极通常为层状石墨,其比容量低为372 m Ah/g;而且充电耗时长和扩散势垒高等问题进一步限制了LIBs性能的提升,这同时也促使了科研人员继续寻找价格亲民、使用寿命长及高吸附比容量的下一代新
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随着电子科技的进步,从智能手机到笔记本电脑,锂离子电池（LIBs）在便携式储能系统的应用中取得了飞跃发展。作为金属离子电池最重要的部件之一,阳极材料本身的性质在很大程度上决定了LIBs的性能及表现。LIBs的阳极通常为层状石墨,其比容量低为372 m Ah/g;而且充电耗时长和扩散势垒高等问题进一步限制了LIBs性能的提升,这同时也促使了科研人员继续寻找价格亲民、使用寿命长及高吸附比容量的下一代新型阳极材料。二维材料由于其比表面积大和离子嵌入通道宽广等特点,普遍可以吸附大量的锂、钠或其他金属离子,对金属离子具有较高的吸附存储能力。此外,在金属离子的脱嵌过程中,这类材料还具有离子迁移速度快和体积变化相对较小的优点,因此二维材料在离子电池阳极材料方面具有巨大的应用潜力。本论文采用第一性原理的计算方法,通过密度泛函理论（DFT）系统探究了三种二维TiOF、TiNCl和TiNF材料,其分别作为LIBs、钠离子电池（NIBs）阳极材料的可行性及关键性能参数,为这类材料在离子电池阳极材料的实际应用中奠定一定的理论基础,具体的研究内容及结论如下:（1）研究了二维TiOF作为离子电池阳极材料的相关性能。结果表明TiOF单层很容易从块体结构中剥离,其剥离能为0.74 J/m~2。第一性原理分子动力学模拟数据证明其在1000 K的条件下依然保持热力学稳定性。其次,理论计算显示TiOF针对锂/钠的吸附比容量均为970 m Ah/g,相应的理论能量密度分别为2160和1972m Wh/g,相关数据远高于一些之前报道过的二维阳极材料。此外,二维材料TiOF吸附锂/钠离子的扩散能垒较低,分别为0.15/0.14 e V,表明TiOF具有超高的充放电速率。在锂/钠离子的吸附过程中,TiOF的金属特性和结构完整性基本保持不变,这一点预示了该阳极材料具有良好的充放电稳定性。（2）探究了两种MXene材料TiNCl/TiNF分别作为LIBs、NIBs阳极材料的基本性能。TiNCl的锂离子扩散势垒低为0.08 e V,吸附钠离子的TiNF结构扩散能垒为0.04 e V。此外,通过理论模拟计算锂/钠离子的吸附数量,预测TiNCl结构吸附锂/钠的容量均为825 m Ah/g,其理论能量密度分别为1506/1714 m Ah/g;TiNF吸附锂/钠的理论容量为994/662 m Ah/g,相应的能量密度为1481/628 m Ah/g。离子吸附过程模拟计算结果表明,随着吸附离子数量的增加,材料结构并未发生金属特性的变化,而且衬底尺寸变化很小。以上的结果表明,TiNCl和TiNF是非常具有潜力的LIBs、NIBs新一代阳极材料。
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