碳化硅及其纳米复合材料储锂机理的理论研究

Silicon carbide and its nanocomposites have recently emerged as a promising candidate for anodes in lithium-ion batteries. We will systematically investigate the structures and electronic structures of different types of silicon carbide compound (including the low-dimensional nanomaterials and nano-composites), study the effects of changes in the compositions and structures on the lithium storage capacity and lithium diffusion, and further explore the feasible approaches to enhance the lithiation capacities and rate capabilities of silicon carbide by doping and surface functionalizaiton. Our project can provide reliable theoretical foundations and ideas to develop new anode materials with high performance.

碳化硅及其纳米复合材料是一类具有潜在应用前景的新型锂离子电池负极材料。本项目采用密度泛函理论方法对不同类型碳化硅化合物(包括具有低维结构的纳米材料以及复合材料)的构型和电子结构进行系统研究，重点考察体系组成和结构的改变对储锂容量以及锂离子扩散机理的影响，并在此基础上探索通过掺杂和表面修饰等手段来提高碳化硅材料嵌锂能力以及改善其倍率性能的可行途径，进而为新型高性能锂离子负极材料的设计和研制提供理论依据和设计思路。

锂离子电池在当今社会发展中占据着重要的优势，而近几年来碳化硅在锂离子电池负极材料的研究中已经成为了一个重要领域。本项目采用密度泛函理论方法对不同类型碳化硅化合物(块体、表面、二维单层、二维异质结)的储锂能力及机理进行了系统研究，并探索了空位缺陷和掺杂缺陷对储锂能力的影响。我们的研究表明不同晶体结构的完美碳化硅块体不具备嵌锂能力，在引入掺杂和硅空位缺陷后嵌锂热力学上可行。对比不同SiC表面发现，硅-碳双原子层的排列顺序不同将会导致锂化能和Li的迁移能垒不同，锂在Li在3C-SiC（111）面的扩散最容易。没有缺陷的SiC单层材料的锂原子吸附能为正，在引入SW缺陷后，锂原子吸附能变为负。SWSiC单层、SiC/石墨烯和SWSiC/石墨烯都表现出比较适中的OCV值，而且嵌锂过程中异质结构的OCV变化更为稳定。计算得到的SWSiC/石墨烯异质结构的理论容量可达1229.91mAh/g，约为常用的石墨负极（372mAh/g）理论容量的3倍。同时，我们还研究了多种其他负极材料（比如GeO2、VS2等）的储锂性能及机理。这些研究工作对今后负极材料的设计及应用提供了指导。