【摘 要】
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2004年,石墨烯的成功制备,使二维纳米材料成为人们研究的焦点。与传统的体相材料相比,二维材料独特的几何构型和优异的光学、电学、力学、磁学等方面的性质,极大吸引了人们的注意。尤其是二维材料具有比表面积大的优点,一方面可以吸附更多的金属离子,另一方面可以使金属离子在表面快速地扩散。本论文的绪论中介绍了纳电子学的发展和纳米材料等相关背景,特别是关于二维纳米材料的应用。然后介绍了本文的理论基础和计算方法
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2004年,石墨烯的成功制备,使二维纳米材料成为人们研究的焦点。与传统的体相材料相比,二维材料独特的几何构型和优异的光学、电学、力学、磁学等方面的性质,极大吸引了人们的注意。尤其是二维材料具有比表面积大的优点,一方面可以吸附更多的金属离子,另一方面可以使金属离子在表面快速地扩散。本论文的绪论中介绍了纳电子学的发展和纳米材料等相关背景,特别是关于二维纳米材料的应用。然后介绍了本文的理论基础和计算方法。最后介绍了本文的创新点,即三种二维磷基纳米材料做离子电池电极材料的性质研究。本文主要的研究内容是:(1)研究了二维单层BP2作为锂离子和钠离子电池电极材料的性质。BP2单层固有的金属性质有利于电子传输。在吸附金属离子后,体系仍然能保持原有的金属性质,这非常有利于充放电过程中的导电性能。为了证明其在空气中的稳定性,模拟了BP2单层在吸附氧原子之后的分子动力学。BP2单层对锂和钠原子的扩散势垒分别低至0.07 e V和0.03 e V,表明超快扩散迁移率和出色的充电/放电速率。此外,BP2单层在最高浓度的锂或钠的吸附过程中体积变化非常小,保证电池了的安全性。通过对各个吸附浓度电势的计算,得到BP2作为锂离子和钠离子电池电极材料时的平均电位分别为2.89 V和2.49 V。这些优良性质使得BP2可以作为锂离子和钠离子电池电极阴极材料的有力候选者。(2)研究了二维单层BP3作为镁离子电池电极材料的性质。镁原子与基底之间较大的吸附能说明镁原子可以牢牢吸附在单层BP3的表面。镁原子在基底上的扩散势垒低至0.11 e V,说明具有较快的充放电速度。最稳定吸附位点的单个镁原子向基底转移的电荷数为0.89 e,因此我们做出合理的推测:随着越来越多的镁原子吸附在基底表面,体系的导电性会得到增强。BP3单层作为镁离子电池的电极材料具有超高的比容量(1546.2 m A h g-1)。镁原子吸附在BP3单层上的平均电极电位为0.73 V,这说明了BP3单层适合作为镁离子电池的阳极材料。这些性质说明了BP3单层作为性质优异的镁离子电池电极的潜在应用。(3)研究了二维单层PC6作为钾离子电池电极材料的性质。由于原始PC6单层是半导体性质的,不利于电子传输。然而PC6单层吸附钾原子后,整个体系成为金属性质,这提高了充放电过程中的导电性能。钾原子向基底转移的电荷量为0.58 e,这说明钾原子是化学吸附在PC6单层的表面。钾原子在PC6单层上两条扩散路径的扩散势垒值基本一致,因此钾原子沿两个方向扩散的可能性基本相同的。此外,钾原子吸附在PC6单层上的比容量为780.6 m A h g-1,远高于目前商用石墨锂电池的比容量。钾原子吸附在PC6单层上的平均电极电位为3.28V,这说明了PC6单层适合作为钾离子电池的阴极材料。PC6单层作为钾离子电池电极材料,同时满足低扩散势垒和高比容量等电池的重要参数,说明了其作为钾离子电池电极的潜在应用。
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