二维异质结构储钠的界面和掺杂效应研究

作     者：苏立娜 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘恩佐;张海昌

授予年度：2018年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：钠离子电池 第一性原理 二维异质结构 界面相互作用 协同效应 掺杂 

摘      要：钠离子电池因为具有更低廉的成本和无毒性,作为替代锂离子电池的储能器件被广泛研究。目前钠离子电池电极材料存在能量密度低和循环稳定性差等问题。二维材料如石墨烯和过渡金属硫化物等有望克服上述问题而成为有潜力的钠离子电池的负极材料。此外硅烯具有与石墨烯相似的性质,也受到越来越多的关注。已有研究表明将这些二维材料进行组合后得到的复合材料表现出更加良好的储钠性能,但是异质结构影响储钠性能的微观机制尚不清楚,亟待解决。本文通过第一性原理计算系统研究了Na在石墨烯、硅烯和过渡金属二硫化物（TMD）以及TMD/石墨烯、TMD/硅烯复合材料中的吸附和扩散;并研究了在充放电中生成的Na2S与石墨烯和硅烯构成的复合体系中掺杂对钠吸附的影响;结合电子结构分析,探究了影响异质结构中储钠的界面效应和掺杂效应。研究发现异质结构中存在两种界面结合;考虑了Na在异质结构中不同位置的吸附,并结合系统的电子结构分析得到了Na吸附与界面结合特性的关系,探讨了异质结构的表界面储Na对电化学性能的贡献;结合Na扩散的研究,揭示了不同界面结合的异质结构中Na吸附和扩散的协同效应。同时,研究发现B、O、P和S掺杂增大石墨烯上Na的吸附能,其中B、P和S掺杂对石墨烯储钠有贡献,而B、N、O、P和S掺杂都会导致硅烯上Na吸附能的增大,增强硅烯储钠,并系统分析了不同掺杂产生上述结果的原因;对于Na2S/石墨烯和Na2S/硅烯,界面结合的不同影响Na在异质结构中的吸附位置;结合石墨烯和硅烯中的掺杂效应,探讨了不同掺杂对Na2S/石墨烯和Na2S/硅烯异质结构中储钠影响的微观机制。上述研究结果为通过异质结构和掺杂设计获得具有优异Na储存性能的二维复合材料提供了理论依据。