硅纳米团簇与石墨烯复合结构储锂性能的第一性原理研究 - arxivorg.pdfVIP

∗ ∗ 硅纳米团簇与石墨烯复合结构储锂性能的第一性原理研究∗∗ 硅纳米团簇与石墨烯复合结构储锂性能的第一性原理研究 硅硅纳纳米米团团簇簇与与石石墨墨烯烯复复合合结结构构储储锂锂性性能能的的第第一一性性原原理理研研究究 吴江滨，钱耀，郭小杰，崔先慧，缪灵，江建军† (华中科技大学 电子科学与技术系 430074) 本文采用第一性原理计算方法，研究了不同晶向硅纳米团簇与石墨烯复合结构稳定性及 其储锂性能。计算了不同高度、大小硅团簇与石墨烯复合结构的结合能，复合结构中嵌锂吸 附能和PDOS。分析表明，硅团簇和石墨烯之间形成较强的Si-C键，其中[111]晶向硅团簇 与石墨烯作用的形成能最高，结构最为稳定。进一步计算其嵌锂吸附能，发现硅团簇中靠近 石墨烯界面处的储锂位置更加有利于锂的吸附，由于锂和碳、硅之间有较强电荷转移，其吸 附能明显大于其他储锂位置。同时在锂嵌入过程中，由于石墨烯的引入，明显减小了界面处 硅的形变，有望提高了其作为锂电池负极材料的可逆容量。 关键词：石墨烯 硅纳米团簇 第一性原理 锂离子电池 PACC: PACC: PPAACCCC:: 6140M， 6855， 7115A， 8640H PACS PACS PPAACCSS：36.40.Cg, 63.20.dk, 71.15.Mb, 84.60.Ve 1. 引言 锂离子电池具有体积小、重量轻、功率密度高等优良特点，如何进一步提高 [1] [2][3][4][5] 其能量密度、功率密度和循环寿命是当前的研究热点 。相比于其他材料 ， [6] 硅作为锂电池负极材料其理论电化学容量可以达到 4200mAh/g ，受到广泛关 注。然而，硅材料在锂离子嵌入后会产生很大的体积膨胀和显著的结构应力，严 重影响了锂电池循环寿命和能量密度。可以通过制备纳米形态的硅材料，如纳米 [7] [8] [9] [10] 线 、纳米片层 、纳米空心球 、纳米团簇 来减小锂电池充放电时的电极形 变，同时显著减少了锂嵌入时的行程，提高充放电速度。Zhang QF 和ChanTL [11] [12] 分别通过第一性原理计算，理论上探究了锂在硅纳米线 和硅纳米团簇 中嵌 [7] 入和扩散机理。在纳米硅材料中最突出的是Candace K 等提出的硅纳米线，第 一次循环容量高达4277mAh/g，但是在20次循环后只剩3500mAh/g，在循环寿 命上有很大的提高空间。 ∗ 国家自然科学基金 （批准号资助的课题 † 通讯联系人Email: miaoling@, Tel: 027 碳纳米材料由于其巨大的比表面积，也具有较好的储锂性能。1998年，Che [13] GL 等 最先报道了多壁碳纳米管的储锂研究，其嵌锂容量达到490mAh/g，1999 [14] 年FrackowiakE 等 也得到了相似的结果。用不同方法制备出来的单壁碳纳米 [15] [16] [17] 管，未经处理前的储锂容量约为446mAh/g 。2004年石墨烯被发现后