锂离子电池负极材料硅/石墨烯插层复合薄膜的结构和储锂性能的研究

The investigation of electrode materials with high capacity, high rate performance, and cycling stability is the key to the development of lithium-ion battery. We will study theoretically on the Si/graphene thin film composites - possible negative electrode materials for lithium-ion battery. Graphene can stabilize the skeleton structure and act as conductor, and it is a good candidate in inhibiting Si volume expansion when adsorbing Li ions. In this project, we will use TB method and DFT method to study on the structures, electronic properties, Li storage capacity and electron transport properties of the designed Si/graphene thin film composites. We aim to investigate an ideal composite electrode which can balance volume expansion and Li storage capacity fading and provide important theoretical information to the experimental design.

高容量、高倍率性能和循环稳定的电极材料的研究是锂离子电池发展的关键。我们拟从理论上研究和设计硅/石墨烯插层复合薄膜结构作为锂离子电池负极材料。石墨烯在抑制材料膨胀方面具有显著的优势，在复合结构中起到稳定骨架和导电体的作用，可以稳定硅的膨胀以保持最大的储锂容量。我们拟采用TB势方法和密度泛函方法对该复合材料的电子结构，储锂容量，以及电子输运性质进行系统的计算研究。研究硅/石墨烯复合薄膜结构的储锂机制，探索能平衡体积膨胀和容量衰减的理想复合电极，为开发设计性能更优的锂离子电池负极材料提供重要的理论信息。

锂电池负极材料的组成和结构对锂离子电池的电化学性能具有决定性的影响。本项目对锂电池硅基负极材料微观储锂机制进行了探索，包括对以Si30团簇为基体结构的储锂相和稳定储锂相Li13Si4中Li传输最优通道的理论计算研究，得到了有价值的结果。在计算方法上，建立了Si、C三中心相互作用TB势，它的建立可以提高搜索相关结构的有效性和可靠性。同时，鉴于纳米团簇在新材料研究中的突出地位，我们对大中型尺度的硅、铝团簇也进行了计算研究。计算得到了Si78，Si172纳米团簇的低能量结构和光吸收性质，以及Al46幻数尺度的特殊稳定结构。此外，我们还拓展了小尺度的金属/半导体二元团簇的计算研究，以及CaZnOS: Mn2+新型荧光材料的发光特性的研究。