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能源是经济发展的重要基础,优良的电能存储媒介日益成为新能源开发、动力电子等应用推广的重要保障。可充放电锂离子电池因有着优异的高质能比,较长的循环使用寿命正受到越来越多的研究和应用。电极材料作为电池的核心构件,其特性对锂离子电池的性能有着重大的影响。碳纳米管(Carbon Nano Tube,CNT)具有独特的几何结构、优良的电子特性以及极强的机械强度和化学稳定性,是构建锂离子电池电极的理想材料。CNT的形态结构对锂离子电池性能会产生较大影响,往往会通过一定的物理化学方法切割CNT,作几何和表面结构的改变。被切割后的端口需结合分子官能团[如氢原子(-H)、羟基(-OH)、氨基(-NH2)、羧基(-COOH)等]才能形成稳定的结构。这些分子官能团的拓扑结构及电子云的分布将会影响锂离子的迁移速率。本文采用分子动力学模拟方法,计算了形态结构(如不同碳纳米管直径、端口官能团种类与数目)以及外场环境(如温度和电场)对锂离子在碳纳米管端口轴向平均速率VLi的影响规律。将直径分别为12.20?[CNT(9,9)]、14.92?[CNT(11,11)]、17.63?[CNT(13,13)]、20.34?[CNT(15,15)],管长均为39.35?的四种“扶手椅”型单壁碳纳米管置于5.6mol/L的Li Cl溶液中,模拟计算了碳纳米管直径、改性官能团类型及端口单种官能团数目对VLi的影响。结果表明:CNT管径的增加,使得管内流通面积增大,锂离子的迁移阻力减小,VLi会逐渐增加;随着端口官能团依次改性为-H、-OH、-NH2、-COOH,锂离子的迁移阻力会逐渐增加,VLi则会依次减小;当端口单种非氢官能团的数量逐渐增多时,VLi会逐步减小,并且越是影响力大的官能团,其个数变化对VLi的影响则越大。选择端口改性为-H的碳纳米管,在不同温度(278~378K)和电场强度(0.2~1.2V/?)的影响下,模拟计算了VLi以及锂离子在碳纳米管内扩散系数Di的变化规律。结果表明:温度对VLi的影响整体上不大,但在不同管径中的影响存在差异;在较小直径的碳纳米管中引起的速率波动相对较大,但随着直径的增大,这种波动将逐渐变得平稳。尽管温度对VLi影响不大,但在碳纳米管内部形成了有益于锂离子扩散的条件,使其扩散系数增大;电场强度对碳VLi的影响较大,随着电场强度的增加,VLi以较大幅度增长。尽管锂离子的扩散系数并没有随着电场强度的增加而线性增加,而表现出有波动的现象,但整体上的走势是随着电场强度的增加而快速递增。为了同时考虑多种因素交互作用下对计算结果的耦合影响,采用正交试验理论,研究CNT直径、电场强度、温度以及官能团种类对VLi的影响。结果表明:电场强度影响最大,VLi随着电场强度的增加而显著地增大;其次是官能团类型。依次将碳纳米管端口官能团改性为-H,-OH,-NH2以及-COOH,VLi会逐步降低;接着是碳纳米管直径。随着管径的增加,锂离子的平均速度会逐渐增加,但增幅有减弱的趋势;温度影响的力度最小。速度先随温度的增加而增加,随后处于一个波动值比较小的水平,对VLi也没有产生显著性的影响。综上,本文通过分子动力学的方法计算了外场环境,碳纳米管直径,特别是端口改性官能团这类形态结构上的差异对锂离子端口处轴向平均速率VLi的影响规律,对新型高性能锂离子电池的开发制造有着一定的理论指导意义,同时又间接地在新能源的开发和环境改善方面起到一定程度的协同推动作用。