二维SnS、NiPS3的电磁与锂存储性能的研究

来源 :南京林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:LJ619
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伴随着人类社会科技的进步发展,电化学电源(EPS)在能源储存和转化方面发挥着越来越重要的作用。目前,锂离子电池(LIBs)因其比容量高、无记忆效应、工作电压高、寿命长等优势,广泛应用于电子设备和动力储能系统。由于锂离子电池负极材料的性能是决定电池性能的关键因素,因此,进一步发展锂离子电池负极材料具有十分重要的意义。近年来,二维(2D)材料由于其超大的比表面积可以为锂离子提供更多的脱嵌通道,使锂离子能够更快速的扩散,已成为LIBs负极材料的重点研发方向。其中,二维石墨烯已经成功用作商业负极材料,但因石墨烯上的锂成核,限制了其耐久性应用。二维磷烯具有超高的扩散率,但其在锂电池内部环境条件下极不稳定。二维Ti3C2材料理论容量较高,但其开路电压过低。为了寻找高比容量,低扩散能垒,高开路电压且稳定的二维负极材料,本论文主要对二维SnS和二维NiPS3做LIBs负极材料的适宜性进行了相关研究。本论文运用基于密度泛函理论的第一性原理方法,主要研究了二维SnS、NiPS3作锂电池负极材料的电子结构、扩散能垒和开路电压等相关性能,另外,通过替代或掺杂过渡金属(TM=Co,Cr,Cu,Fe,Mn,Ni,Sc,Ti,V,Zn)原子引入磁性,对SnS二维材料的电磁特性的影响做了一系列研究。研究结果表明:(1)Li原子可以与SnS单层结合,结合能约为-2.0 eV。SnS单层吸附Li之后,发生了大量电子掺杂,导致SnS单层从半导体转变为金属。Li在SnS单层上的扩散能垒约为0.45 eV。此外,单层SnS的平均开路电压约为1.98 V。(2)Li原子可以与NiPS3单层结合,结合能约为-0.97 eV。锂化作用将大量电子掺杂到NiPS3单层中,使NiPS3单层发生半导体到金属的转变。Li原子在NiPS3单层扩散的能量势垒约为0.279 eV,存在快速充电的可能性。而且,单层NiPS3作锂电池负极的平均开路电压约为0.55 eV,该材料的理论比容量为608(mA h)/g,这个数值非常适用于高容量的锂电池。(3)二维SnS通过替代掺杂过渡金属(TM)原子引入磁性的研究表明,仅有Mn掺杂的SnS单层是磁性半导体,并且掺杂了Ti的SnS单层转变成了自旋分解的金属。由上述结果可以得出,二维SnS、NiPS3是制备高性能锂离子电池的理想负极材料,本文的结论可以为实际制造锂电池负极材料提供一些理论指导。通过过渡金属替代/掺杂,使二维SnS半导体转变为磁性半导体,有望应用在自旋电子器件。
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