Na在B掺杂的空位石墨烯上吸附性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯和B掺杂的空位石墨烯吸附Na原子的电荷密度、吸附能、态密度、储存量以及电极电压.结果表明,两种石墨烯中,Na原子的最佳吸附位置都是H位.B掺杂的空位石墨烯对Na原子的吸附能是-2.08 eV,比本征石墨烯对Na原子的吸附能(-0.71eV)低很多.B掺杂的空位石墨烯中Na原子与B原子发生轨道杂化,本征石墨烯中没有杂化现象.B掺杂的空位石墨烯能够吸附12个Na原子,较本征石墨烯多.因此,B掺杂的空位石墨烯更适合储钠.     

B、N掺杂对钠在石墨烯上吸附性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯及缺陷石墨烯对Na原子的吸附行为。主要研究了三种石墨烯：本征石墨烯、B掺杂的石墨烯和N掺杂的石墨烯。结果表明,与本征石墨烯相比,B掺杂的石墨烯和N掺杂的石墨烯在吸附能、电荷密度、态密度和储钠量方面表现出很大的差异。B掺杂的石墨烯对Na原子的吸附能是-1.93 eV,约为本征石墨烯对Na原子吸附能的2.7倍;与本征石墨烯相比,N掺杂的石墨烯对Na原子的吸附能明显增大。态密度计算结果表明,Na原子与B掺杂的石墨烯中的B原子发生轨道杂化,而本征石墨烯和N掺杂的石墨烯中不存在轨道杂化现象。B掺杂的石墨烯对Na原子的吸附量是3个,与本征石墨烯相比显著提高。因此,B掺杂的石墨烯有望成为一种新型的储钠材料。     

B、N掺杂对钠在石墨烯上吸附性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯及缺陷石墨烯对Na原子的吸附行为.主要研究了三种石墨烯:本征石墨烯、B掺杂的石墨烯和N掺杂的石墨烯.结果表明,与本征石墨烯相比,B掺杂的石墨烯和N掺杂的石墨烯在吸附能、电荷密度、态密度和储钠量方面表现出很大的差异.B掺杂的石墨烯对Na原子的吸附能是-1.93 e V,约为本征石墨烯对Na原子吸附能的2.7倍;与本征石墨烯相比,N掺杂的石墨烯对Na原子的吸附能明显增大.态密度计算结果表明,Na原子与B掺杂的石墨烯中的B原子发生轨道杂化,而本征石墨烯和N掺杂的石墨烯中不存在轨道杂化现象.B掺杂的石墨烯对Na原子的吸附量是3个,与本征石墨烯相比显著提高.因此,B掺杂的石墨烯有望成为一种新型的储钠材料.     

纳米储锂材料和锂离子电池

简单综述了锂离子电池的基本原理和发展现状,对中国科学院物理研究所固体离子学课题组在纳米储锂材料方面的研究进展做了介绍.用HRTEM等手段研究了纳米SnO、纳米Si以及纳米SnSb合金在Li入脱嵌过程中结构的变化.着重介绍了一种具有纳米微孔的球形硬碳材料和纳米SnSb合金钉扎的复合负极材料,在高功率密度和高能量密度锂离子电池方面具有广阔应用前景.     

非稀土掺杂协同核壳包裹对氟化物纳米晶上转换发光性能的增强

为提高上转换纳米晶的发光效率,提出协同增强的策略,将核壳包裹和非稀土离子掺杂两种方式进行有效的结合,使上转换纳米晶的发光效率实现"1+12"的增强效果。以Na Gd F_4作为基质材料,Yb~(3+)和Er~(3+)分别作为敏化离子和发光离子,以Li~+离子和Na Gd F_4作为非稀土掺杂离子和包裹壳层来构建核/壳纳米结构,研究两种增强方式的协同作用对Na Gd F4∶Yb~(3+)/Er~(3+)纳米晶的上转换发光性能的影响。结果表明,Li+离子掺杂与包裹Na Gd F4壳层共同作用使得β-Na Gd F4∶Yb~(3+)/Er~(3+)纳米晶的上转换发光增强了39倍,明显优于单一方式的增强效果。通过一系列的优化实验结果发现,Li+离子的最佳掺杂摩尔分数为4%。基于以上实验结果,给出了非稀土离子掺杂核壳纳米晶协同增强上转换发光效率的机理。     

固体核磁共振技术在锂/钠离子电池碳负极中的应用及研究进展

碳负极材料作为锂/钠离子电池的传统负极材料一直获得广泛的推广和应用,但其仍存在充电时间长、库伦效率低等问题,研究碳负极材料充放电机理是解决这些问题的关键.固体核磁共振（NMR）技术是一种研究固体材料中目标原子所处化学环境以及材料内部结构变化的有效手段.通过测定锂/钠离子电池中⁶Li、⁷Li和²³Na高速魔角旋转（MAS）条件下的固体NMR谱图,能够清晰获得锂/钠离子电池碳负极脱/嵌过程中的结构变化,以及碳原子与Li/Na的配位情况,从而为碳负极材料的设计及其电化学性能的提升提供充分的理论依据.本文综述了近年来固体NMR技术在锂/钠离子电池碳负极材料研究中的应用以及相关研究进展.     

N掺杂对α-石墨炔表面吸附H_2O,H,O和OH的电子性质和磁性的影响

石墨炔是一种新型的二维(2D)碳的同素异形体,炔键单元的高活性使其在小分子吸附方面相比石墨烯更具优势.本文基于密度泛函理论(DFT),研究了H_2O和H、O及OH分别在原始的和掺杂了N原子的α-石墨炔上的相互作用.研究结果表明,N掺杂和小分子吸附能够改变α-石墨炔的电子结构和磁性. N原子掺杂后α-石墨炔对小分子的吸附能力明显增强. H、O原子和OH吸附在N原子掺杂体系前后表现出明显的磁性差异:H原子和OH吸附在纯净的α-石墨炔上体系显示磁性,N原子掺杂后,磁性消失;而O原子则是吸附在纯净的α-石墨炔上未表现出磁性,N原子掺杂后,体系出现磁性.此外,α-石墨炔对水分子的吸附作用较弱,受范德瓦耳斯作用影响较大,属于物理吸附.本研究将为α-石墨炔中N杂质检测以及α-石墨炔基气体传感器的设计研究提供新的思路.     

缺陷对Pt在石墨烯上吸附影响的研究

本文利用第一原理方法计算了空位缺陷和硼(B)掺杂时对Pt在graphene上吸附的影响.结果表明:Pt在graphene上吸附的稳定住置是Pt吸附在桥住;悬挂键的存在极大的增强了Pt在graphene空位处的吸附;B替住掺杂有利于Pt原子在杂质附近的吸附.     

H2在Li掺杂Al6Si+上吸附的理论研究

本文利用密度泛函理论的B3LYP/6-31G(d, p)和组态相互作用的QCISD/6-31G(d, p)研究了Al6Si+和Al6SiLi+团簇的几何和电子结构及其对H2分子的吸附,两种不同方法计算的H2分子在团簇上的吸附能非常一致。H2分子在Al6Si+团簇上的吸附能仅为-0.018 eV,Al6Si+团簇中掺杂Li原子可以明显增强其对H2分子的吸附。Al6SiLi+团簇吸附一个H2分子的吸附能可以达到-0.157 eV,吸附五个H2分子的平均吸附能为-0.088 eV。态密度和自然键轨道分析表明,电荷从Li原子向Si原子转移,H2分子在带正电的Li离子产生的电场中发生极化,从而在静电相互作用下吸附在Li原子周围。     

外来原子替代碳的氟化石墨烯的磁性和电子性质

采用基于自旋极化密度泛函理论的第一性原理计算,研究了在氟化石墨烯中少量C原子被M原子(M=B,N,Si,P)替代后原子片的磁性和电子性质.结果表明:不同原子掺杂后的氟化石墨烯的电子结构会发生很大的变化,并有很大的不同.掺杂B和P原子后,纳米原子片由半导体转变为金属,并且由非磁性转变为磁性;掺杂N原子后,材料则仍为半导体,但具有磁性;进一步讨论了掺杂原子浓度与磁性的关系.对于Si原子掺杂的氟化石墨烯原子片,其半导体性质不变,但禁带宽度也会发生改变.     

First-principles investigation of V2CSe2 MXene as a potential anode material for non-lithium metal ion batteries

The electrochemical performances of the V₂CSe₂ MXene as anode materials for Na, K, Mg, Ca, and Al-ion batteries have been systematically investigated by the first-principles method. The adsorption energies of metal atoms show that Na, K, and Ca atoms can effectively adsorb on the V₂CSe₂, except for Mg and Al atoms. The large diffusion constants for Na, K, and Ca atoms calculated by the diffusion energy barriers (0.098 eV for Na, 0.066 eV for Ca, and 0.24 eV for Ca) indicate the high mobility on the V₂CSe₂ surface. Significantly, the maximum theoretical capacities of V₂CSe₂ reach up to 394.12 mA h/g for Na and Ca ions. Furthermore, the low average open-circuit voltage (OCV) (0.150 V for Na, 0.175 V for K, and 0.072 V for Ca) indicates the V₂CSe₂ is a suitable anode material. These results provide fundamental guidance for the V₂CSe₂ monolayer as anode materials of non-lithium metal-ion batteries.     

Molybdenum carbide nano-sheet as a high capacity anode material for monovalent alkali metal-ion batteries—Theoretical investigation

This contribution presents a theoretical investigation of monovalent metal-ion adsorption and diffusion on two-dimensional (2D) buckled nanostructure of molybdenum carbide (MoC) by using the first principle method. We find that buckled MoC nanostructure exhibits great stability, semiconducting electronic property, and high performance as electrode material. Interestingly, Crystal Orbital Hamilton population (COHP) method results show that buckled MoC is chemically stable in a wide range of temperatures, and various Li, Na, ions adsorbed configurations, which is beneficial for anode materials. Especially, single-layer MoC exhibits a superior theoretical capacity of 993.16 mA h g⁻¹ for Li-ions and 496.58 mA h g⁻¹ for Na/K-ions. The storage capacity of 1200 mA h g⁻¹ is found for the adsorption of ions on multilayer bulk MoC. Moreover, migration energy barriers are predicted as 0.38 eV for Li, 0.32 eV for Na, and 0.24 eV for K; these remarkable results determine the applicability of buckled MoC as ideal anode material for metal-ion battery applications.     

锂离子电池相关材料的Raman光谱学研究

锂离子电池是目前综合性能最好的可充电池。本文总结我们实验室用Raman光谱学研究锂离子电池相关材料的一些结果 ,包括聚合物电解质的微结构和离子输运机制 ,低温热解碳负极材料的结构表征和锂离子在其中的嵌入 /脱出机理 ,元素替代引起正极材料LiMn2 O4的结构变化以及在充放电过程中电极 /电解质界面形成的钝化层的性质及其对电池性能的影响     

锑烯吸附金属Li原子的密度泛函研究

锑烯(antimonene)是继石墨烯和磷烯之后出现的新型二维材料,在锂离子电池等领域受到关注.本文基于第一性原理的密度泛函理论,计算研究了锑烯对Li原子的吸附特性,包括Li原子的最稳定吸附构型、吸附密度以及吸附Li原子的扩散路径.结果表明:Li原子最稳定的吸附位置位于谷位,即底层Sb原子之上、顶层三个Sb原子中心位置,吸附能为1.69 eV,吸附距离为2.81?;能带计算发现,锑烯为带隙宽度1.08 eV的间接带隙半导体,吸附Li原子后费米能级上升进入导带,呈现出金属性;原子分波态密度分析发现, Sb原子的p电子态和Li原子的p和s电子态形成明显的共振交叠,表现出杂化成键的特征;随着吸附Li原子数量增加,锑烯晶格结构和电子结构发生较大变化.通过微动弹性带方法计算发现, Li原子在锑烯表面的扩散势垒为0.07 eV,较小的势垒高度有利于快速充放电过程.     

硅功能化石墨烯负极材料的粗粒模型

硅功能化石墨烯(硅化烯)作为锂离子电池的负极材料, 一旦发生分层或粉化等损伤现象, 会严重地降低材料的电子输运能力和储锂容量, 减少电池的使用寿命, 因此要求负极材料具有较强的力学可靠性. 考虑到传统分子动力学方法的模拟尺度很难达到硅化烯负极材料的真实尺度, 首先采用Tersoff 势函数和Lennard-Jones 势函数建立了多种硅化烯的全原子数值模型, 计算材料的各种弹性模量和吸附能; 然后采用珠子-弹簧结构, 根据力学平衡条件和能量守恒定律, 结合全原子模型的计算结果, 建立了硅化烯粗粒模型及其系统的能量方程; 最后, 通过对比石墨烯粗粒模型与其全原子模型的拉伸性能, 验证了硅化烯粗粒模型的有效性.     

低覆盖度CO分子在 Ni（110）面的吸附研究

利用密度泛函理论研究了低覆盖度下CO分子在Ni（110）表面的吸附结构和电子态。研究结果表明：在低覆盖度情况下, CO分子优先垂直吸附在短桥位,其次是顶位和长桥位。垂直短桥位吸附、顶位吸附相应的振动频率分别是1850.52 cm-1、1998.08cm-1。态密度的研究结果表明：CO分子和Ni原子在-10 eV -8 eV,-8 eV—-6 eV及1 eV -5 eV能量范围内发生了杂化作用。-10ev -8ev能量范围内的杂化主要来源于C、O原子的s轨道、pz轨道与Ni原子s、p、d轨道的杂化作用。-8ev—-6ev能量范围内的杂化作用主要来源于C、O原子的py、 px轨道与Ni原子d、s轨道的杂化作用。轨道间的杂化作用是吸附作用的主要来源。 我们计算的吸附位置与相应的振动频率与相关实验结果基本一致。     

High‐Capacity Anode Materials for Lithium‐Ion Batteries: Choice of Elements and Structures for Active Particles

Growing market demand for portable energy storage has triggered significant research on high‐capacity lithium‐ion (Li‐ion) battery anodes. Various elements have been utilized in innovative structures to enable these anodes, which can potentially increase the energy density and decrease the cost of Li‐ion batteries. In this review, electrode and material parameters are considered in anode fabrication. The periodic table is then used to explore how the choice of anode material affects rate performance, cycle stability, Li‐ion insertion/extraction potentials, voltage hysteresis, volumetric and specific capacities, and other critical parameters. Silicon (Si), germanium (Ge), and tin (Sn) anodes receive more attention in literature and in this review, but other elements, such as antimony (Sb), lead (Pb), magnesium (Mg), aluminum (Al), gallium (Ga), phosphorus (P), arsenic (As), bismuth (Bi), and zinc (Zn) are also discussed. Among conversion anodes focus is placed on oxides, nitrides, phosphides, and hydrides. Nanostructured carbon (C) receives separate consideration. Issues in high‐ capacity research, such as volume change, insufficient coulombic efficiency, and solid electrolyte interphase (SEI) layer stability are elucidated. Finally, advanced carbon composites utilizing carbon nanotubes (CNT), graphene, and size preserving external shells are discussed, including high mass loading (thick) electrodes and electrodes capable of providing load‐bearing properties.