嵌锂石墨充电机制的abinitio和DFT理论研究

用ab initio/HFt DFT/B3LYP方法探究了在锂离子二次电池中锂离子在石墨负 电极材料里可逆脱过程。理论计算结果表明，嵌锂石墨LIG充放电机制是锂在石黑 碳层间可闹乱子嵌脱，同时伴随着锂与碳层间发生电荷连续转移和碳层堆积方式改 变的协同过程；计算结果也明确证实，嵌锂石墨嵌入脱出锂离子的过程就是锂离子 二次电池储存与释放能量的过程，提出的嵌锂石墨充放电机制较好地丰富了固体电 解质相界面SEI机理和单电子还原机理。     

嵌锂石墨充电机制的abinitio和DFT理论研究

用ab initio/HFt DFT/B3LYP方法探究了在锂离子二次电池中锂离子在石墨负 电极材料里可逆脱过程。理论计算结果表明，嵌锂石墨LIG充放电机制是锂在石黑 碳层间可闹乱子嵌脱，同时伴随着锂与碳层间发生电荷连续转移和碳层堆积方式改 变的协同过程；计算结果也明确证实，嵌锂石墨嵌入脱出锂离子的过程就是锂离子 二次电池储存与释放能量的过程，提出的嵌锂石墨充放电机制较好地丰富了固体电 解质相界面SEI机理和单电子还原机理。     

天然石墨阳极在室温离子液体电解液中的电化学性质

对比研究了天然石墨在室温离子液体和有机电解液中的嵌脱锂性质, 探讨了添加剂提高天然石墨在离子液体电解液中电化学性质的微观机制.     

水性黏结剂海藻酸钠和果胶酸钠对锂离子电池石墨负极电化学性能的影响

利用循环伏安和恒电流充放电测试,结合扫描电镜观测,研究了水性黏结剂海藻酸钠和果胶酸钠对石墨负极电化学性能的影响.结果表明,石墨负极在这两种黏结剂中均可以进行有效的嵌锂脱锂循环,且电化学循环性能较好,50次循环后可逆比容量损失不超过5%.两种水性黏结剂在改善石墨电极的嵌脱锂循环性能方面具有较好的发展前景.     

粒度对石墨负极材料嵌锂性能的影响

研究了不同粒径（13～80 μm）石墨材料作为锂离子电池负极材料的嵌锂性能.结果表明，石墨粒度大小对嵌锂性能有明显影响，石墨的不可逆容量随着粒径的减小而逐渐增大，当粒径从80 μm减小到13 μm时，其不可逆容量增大了10％.而对可逆容量来说，随着粒径的减小，可逆容量逐渐增大;当粒径减小到20 μm时，可逆容量达到最大;再进一步减小石墨颗粒的粒径，可逆容量则随之减小.这表明石墨颗粒过大或过小都不利于锂离子的可逆脱嵌，只有合适的粒度才能最大限度地可逆脱嵌锂离子.根据不同粒度石墨的比表面的变化趋势，阐述了嵌锂性能随粒度变化的原因.     

石墨/LiCoO_2电池充放电过程电极活性材料结构演变研究

利用X射线衍射分析(XRD)详细地研究了石墨/LiCoO2体系18650型锂离子电池充放电过程中正负极活性材料的晶体结构和微结构的变化.结果发现,在电池充电过程中,锂嵌入石墨层中,优先进入碳原子六方网格面间的间隙位置,导致石墨的点阵参数a和c,以及微应变ε增加和堆垛无序度P的变化,电池充电至20%后负极中形成Li-C化合物;电池充电时,正极LiCoO2中处于(000)位的Li原子优先脱离晶体点阵,随着正极材料脱锂量的增大,其晶格参数a减小,c增大,微应变ε也随之增加.LiCoO2在整个充电和放电过程中均未发生相变.最后,讨论了锂离子电池的导电机制.发现,充电时,锂离子的迁移从负极-电解液界面开始;放电时,其迁移从正极-电解液界面开始;在充放电过程中,正负极活性材料的嵌脱锂都有一个从活性材料颗粒表面到内层的过程.电池的充放电过程不完全可逆.     

锂离子电池快充石墨负极研究与应用

相较于传统燃油汽车,电动汽车缓慢的充电速度始终制约了其进一步推广。为电动汽车实现“加油式”快速充电能够缓解充电桩的使用压力,增加电动汽车的应用场景和市场占有率。因此,亟需开发出具有快速充放电能力的高性能锂离子电池。石墨因其低廉的价格和优异的电化学性能已经在锂离子电池负极领域得到了广泛的商业化应用,然而其较低的嵌锂电位导致在快充过程中出现析锂,损害电化学性能的同时会带来安全隐患。因此,必须对石墨进行改良处理,以适应快充技术的需要。本文系统介绍了近年来石墨负极快充化改良领域的研究进展,从成分设计,形貌调控,结构优化,电解液适配等方面进行了评述,并总结了快充石墨面临的挑战,展望了其发展前景,为推动快充技术的商业化应用提供了借鉴。     

超声浸渍包覆石墨的嵌脱锂性能

锂离子电池;碳阳极;包覆;电化学性能;超声浸渍包覆石墨的嵌脱锂性能     

锂在高有序热解石墨(HOPG)电极中的扩散系数

用循环伏安、交流阻抗和电位阶跃法研究了平板高有序热解石墨(HOPG)电极在1mol/LLiPF₆和体积比为1∶1的EC/DMC溶液中的电化学行为.结果表明,石墨的嵌锂反应仅发生在边界面上.随着嵌锂量的增加,表面SEI膜的电阻和嵌入反应的极化电阻减小.用交流阻抗谱和电位阶跃方法测定的锂在高有序热解石墨中的扩散系数一致,并随充电程度的增加而显著减小.在电极电位(vs.Li/Li⁺) 0.2～0.05V区间,扩散系数由10^-11cm²/s下降到10^-12cm²/s.     

电解液组成对中间相石墨微球电化学性能的影响

以2800℃热处理的煤焦油沥青基中间相石墨微球为锂离子二次电池负极材料,考察了中间相石墨微球在不同组成的电解质溶液中的电化学嵌脱锂性能.确定了试样在不同电解液中电极表面生成的SEI膜的化学组成和相对含量,剖析了共溶剂对SEI膜形成反应、膜组成和织构的影响.结果表明,在不同共溶剂的EC基电解液中,电极界面SEI膜形成的电位虽然不同,但SEI膜的化学组成基本相同,负极界面SEI膜的织构是决定电解液与电极材料相容性的关键.     

A battery-supercapacitor hybrid device composed of metallic zinc,a biodegradable ionic liquid electrolyte and graphite

The integration of a battery-type electrode and of a capacitor-type electrode in a single device by proper design is an effective strategy in developing energy storage devices with high energy and power densities. Herein, we present a battery-supercapacitor hybrid device using metallic zinc as anode, a biodegradable ionic liquid (IL) as electrolyte, and graphite as cathode. The recently developed choline acetate ([Ch]OAc) biodegradable IL-based electrolyte enables reversible deposition/stripping of Zn(II). Spongy-like Zn with a high surface area is obtained, which allows fast charge/discharge at high rates. The adsorption/desorption of ions on the surface of the graphite cathode and intercalation/deintercalation of anions into/from the graphite layers occur at the graphite cathode. Raman spectra and X-ray photoelectron reveal the intercalation of IL into and the adsorption of IL on the graphite. Highly reversible adsorption/desorption of ions on the surface of the graphite electrodes in the [Ch]OAc-based electrolyte was demonstrated by a symmetric cell. The Zn/graphite hybrid device delivers an energy density of 53 Wh kg^?1 at a power density of ~ 145 W kg^?1 and 42 Wh kg^?1 at ~ 400 W kg^?1. The hybrid device also exhibits a long cycle life with ～ 86% specific capacitance retained after 1000 cycles at a current density of 0.5 A g^?1. The combination of well-available zinc, inexpensive graphite, and a biodegradable IL electrolyte in a cell could open new avenues for sustainable energy applications.

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双空位缺陷双层石墨烯储钠性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的色散修正方法,研究了Na吸附和嵌入在双空位缺陷(DV)双层石墨烯(BLG)体系中的形成能、电荷转移、电极电势和扩散行为。形成能计算表明,无论单个Na原子在BLG表面吸附还是层间嵌入,均在DV空位中心处更稳定。电荷密度分布和Bader电荷计算表明Na与BLG的结合方式表现出离子性。Na嵌入DV缺陷BLG层间,缺陷浓度增加使BLG由AB堆垛向AA堆垛转变过程推迟;使Na在DV缺陷BLG的表面和层间能够稳定储钠的容量之和增至262.75 mAh?g~(-1),对应浓度Na与C摩尔比为2:17,储钠浓度继续增加,Na在BLG表面吸附容易产生枝晶或团簇。当层间嵌入Na原子时,表面Na原子向DV缺陷中心方向扩散能垒减小、表面Na原子沿相反方向的扩散能垒增加,DV缺陷的存在提高了BLG表面捕获Na的能力。     

新型掺杂多孔芳香骨架材料的储氢性能模拟

基于PAF-301分子模型通过Li掺杂或B取代等模式设计了几种新型多孔芳香骨架(PAFs)材料,采用量子力学和分子力学方法对新材料的储氢性能进行研究.由量子力学计算得到了不同分子片段与H2之间的结合能,并结合DDEC方法计算了各分子片段的原子电荷分布.利用巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法计算了77和298 K下H2在不同PAFs材料中的吸附平衡性质.结果表明,H2直接与苯环的结合能较低,但掺杂Li原子能够提高H2与六元环的结合能,同时Li原子体现出较高的正电性质,B原子取代苯环中的两个C原子后,使得原有C原子电负性增强;77 K下PAF-301Li具有最高的储氢性能,而PAF-C4B2H4-Li2-Si和PAF-C4B2H4-Li2-Ge体现出较好的常温储氢性能,各种材料的常温储氢性能远低于其低温储氢性能.通过77 K下H2在PAFs材料中的等位能面分布和吸附平衡质心密度分布对H2在PAFs材料中的优先吸附位置进行分析,发现在PAF-301和PAF-301Li骨架中,由于中心能量较低的等位能区域范围较宽,H2在其中存在四个明显的吸附高密度分布区域,而其它三种PAFs晶胞中心能量较低的等位能区域范围较窄,使得H2在其中只存在两个明显的吸附高密度分布区域.     

铁脂质体/水分配系数测定及影响因素考察

基于PAF-301分子模型通过Li 掺杂或B取代等模式设计了几种新型多孔芳香骨架(PAFs)材料, 采用量子力学和分子力学方法对新材料的储氢性能进行研究. 由量子力学计算得到了不同分子片段与H₂之间的结合能, 并结合DDEC方法计算了各分子片段的原子电荷分布. 利用巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法计算了77和298 K下H₂在不同PAFs材料中的吸附平衡性质. 结果表明, H₂直接与苯环的结合能较低, 但掺杂Li 原子能够提高H₂与六元环的结合能, 同时Li 原子体现出较高的正电性质, B原子取代苯环中的两个C原子后, 使得原有C原子电负性增强; 77 K下PAF-301Li 具有最高的储氢性能, 而PAF-C₄B₂H₄-Li₂-Si 和PAF-C₄B₂H₄-Li₂-Ge体现出较好的常温储氢性能, 各种材料的常温储氢性能远低于其低温储氢性能. 通过77 K下H₂在PAFs材料中的等位能面分布和吸附平衡质心密度分布对H₂在PAFs 材料中的优先吸附位置进行分析, 发现在PAF-301 和PAF-301Li 骨架中, 由于中心能量较低的等位能区域范围较宽, H₂在其中存在四个明显的吸附高密度分布区域, 而其它三种PAFs晶胞中心能量较低的等位能区域范围较窄, 使得H₂在其中只存在两个明显的吸附高密度分布区域.     

Comparative study of Li, Na, and K adsorptions on graphite by using ab initio method

A comprehensive study has been conducted to compare the adsorptions of alkali metals (including Li, Na, and K) on the basal plane of graphite by using molecular orbital theory calculations. All three metal atoms prefer to be adsorbed on the "middle hollow site" above a hexagonal aromatic ring. A novel phenomenon was observed, that is, Na, instead of Li or K, is the weakest among the three types of metal atoms in adsorption. The reason is that the SOMO (single occupied molecular orbital) of the Na atom is exactly at the middle point between the HOMO and the LUMO of the graphite layer in energy level. As a result, the SOMO of Na cannot form a stable interaction with either the HOMO or the LUMO of the graphite. On the other hand, the SOMO of Li and K can form a relatively stable interaction with either the HOMO or the LUMO of graphite. Why Li has a relatively stronger adsorption than K on graphite has also been interpreted on the basis of their molecular-orbital energy levels.     

Large Interlayer Distance and Heteroatom-Doping of Graphite Provide New Insights into the Dual-Ion Storage Mechanism in Dual-Carbon Batteries

Dual-ion batteries (DIBs) is a promising technology for large-scale energy storage. However, it is still questionable how material structures affect the anion storage behavior. In this paper, we synthesis graphite with an ultra-large interlayer distance and heteroatomic doping to systematically investigate the combined effects on DIBs. The large interlayer distance of 0.51 nm provides more space for anion storage, while the doping of the heteroatoms reduces the energy barriers for anion intercalation and migration and enhances rapid ionic storage at interfaces simultaneously. Based on the synergistic effects, the DIBs composed of carbon cathode and lithium anode afford ultra-high capacity of 240 mAh g⁻¹ at current density of 100 mA g⁻¹. Dual-carbon batteries (DCBs) using the graphite as both of cathode and anode steadily cycle 2400 times at current density of 1 A g⁻¹. Hence, this work provides a reference to the strategy of material designs of DIBs and DCBs.     

Adsorption of benzene, fluorobenzene and meta-di-fluorobenzene on Cu(110): a computational study

We modelled the adsorption of benzene, fluorobenzene and meta-di-fluorobenzene on Cu(110) by Density Functional Theory. We found that the adsorption configuration depends on the coverage. At high coverage, benzene assumes a tilted position, while at low coverage a horizontal slightly distorted geometry is favoured. Functionalizing the benzene ring with one or two fluorine atoms weakens the bonding to the surface. A rotation is induced, which decreases the distance of the fluorine atom from the surface. STM simulations reveal that details about both, benzene adsorption geometry and fluorine position, can be only detected at short tip-surface distances.     

水在石墨(0001)面簇模型桥位上吸附的量子化学研究

用从头计算方法对水在石墨(0001)面桥位上的吸附进行了研究.用C₆H₈原子簇模拟石墨表面,在6-31G^*水平上计算了水在不同方向和位置上的吸附能量.研究表明:水在石墨面上的吸附很弱,属于物理吸附;在中性或带负电荷的石墨表面,当水分子中的氢原子靠近石墨面时,体系存在能量最小值,而在带正电荷的表面,当氧原子靠近石墨面时存在稳定的吸附点;不论表面带正电荷还是带负电荷,均对水分子的吸附起增强作用.     

白藜芦醇对长期贮存锂离子电池电解液性能的影响

锂离子电池电解液从制造完成到使用,一般都会经历灌装、运输和贮存的过程,了解长期贮存过程对锂离子电池电解液性能的影响,对锂离子电池的生产具有一定的理论指导意义。本文运用电化学阻抗谱(EIS)测试并结合循环伏安法(CV)测试、充放电测试、扫描电子显微镜(SEM)等研究了1 mol·L^-1 LiPF₆-EC:EMC基础电解液中添加不同浓度白藜芦醇(RES)时,在长期贮存过程中对石墨电极性能的影响及机制。研究结果表明,新鲜的基础电解液在经历6个月的贮存后,石墨电极在其中无论是可逆循环容量还是循环稳定性(容量保持率)均出现大幅度的下降。这主要是由于在经历6个月贮存后的基础电解液中,石墨电极表面形成的 SEI 膜较厚,进而导致锂离子嵌入过程的不稳定造成的。在基础电解液中添加不同浓度的白藜芦醇均能有效抑制电解液长期贮存造成的石墨电极在其中电化学性能的下降,当基础电解液中含有200 ppm白藜芦醇经历6个月贮存后,石墨电极无论是可逆容量还是循环性能稳定性甚至优异于在新鲜的电解液中。