锂离子电池合金负极材料的理论设计和合成

论文摘要

石墨材料作为锂离子电池负极材料,其利用率已经达到了它的极限（372mAh/g）,开发新一代具有更高容量的锂离子电池已经成为当前锂离子电池领域研究的热点。金属和合金被认为是具有潜力的锂离子电池负极材料,因为它们一般具有较高的容量和合适的充放电电位。如金属Sn,它具有高达990 mAh/g（7200 mAh/L）的理论容量。其质量比容量是石墨的2.7倍,而体积比容量竟是石墨的8.8倍。然而,金属的单质却不能直接用来做锂离子电池的负极材料,主要的原因是它们在与锂离子发生反应生成锂一金属合金的过程中存在较大的体积膨胀和收缩,这将导致材料受内部应力的作用而龟裂,从而失去活性,最终导致材料的循环性能下降。提高金属和合金材料的循环性能成为开发合金锂离子电池材料的关键问题。近年来,对于如何抑制金属材料的体积膨胀和收缩以提高合金材料作为锂离子电池负极材料的循环性能的研究倍受关注。其中一种比较有效的方法是使用金属间化合物（通常称为合金）MM’,其中包含M为“活性金属”,也即在电池环境下,可以与锂发生反应的金属;而M’为“非活性金属”,即在电池环境下不能和锂发生反应的金属。其中Cu6Sn5,FeSn2,Cu2Sb等就是属于此类合金。该体系之所以能够抑制体积膨胀是因为金属M’起到了一种体积“缓冲剂”的作用,它可以从一定程度上抑制活性金属M和锂离子发生反应产生的体积膨胀,减少材料内部因为体积膨胀而产生的龟裂,防止活性材料和集电体脱离。然而,在开发此类MM’型金属间化合物作为锂离子电池负极材料的研究中遇到许多困难,其中最主要的是:如何选择组成合金的金属M和M’,以及如何调整它们之间的比例。众所周知,在元素周期表中有近十种能与锂合金化的金属（M）,如Al,Si,Zn,Ag,In,Sn,Sb等,还有多种不能与锂合金化的金属（M’）,如Ti,Mn,Fe,Co,Ni,Cu等。它们相互间的结合,根据元素种类不同和组成成分比例不用,将是无限多的化合物。至今为止,合金材料的研究和开发,主要建立在大量的实验数据和个人经验的基础上,适合锂离子用的高性能的合金材料的开发,将花费大量的研究经费和人力。基于密度泛函的第一性原理量子化学计算方法提供了一种只从化合物的元素种类,晶体结构出发,预测其物理、化学性能的有效手段。通过量子化学计算,可以更快,更方便的得出一种材料是否适用于电池材料,许多不能通过常规实验合成或者难于合成的材料,可以用计算来检测其是否具有电化学电池性能。从而指导实验开发,这将给材料的开发带来极大的便利。本课题借助量子化学计算的方法,进行合金材料的设计,选择合适的制备方法,结合电化学和多种物理化学现场表征方法。研究开发结构稳定,膨胀率小,循环性能好的锂离子电池用新型高能量合金材料,阐明锂离子嵌入/脱嵌过程中晶体结构,粉体结构与膨胀率,循环性能之间的关系,在量子计算的基础上开发高性能的锂离子电池用高容量合金材料,将开创一个新的研究领域。本论文第一章将简单介绍锂离子电池以及常见负极材料。第二章介绍了基于第一性原理的密度泛函理论计算方法以及本论文中采用的VASP计算软件包。接着第三章首先介绍量子化学计算在锂离子电池材料研究中的应用。着重讨论如何利用量子化学计算结果来预测材料的电化学性能。然后对元素周期表中常见的合金材料,设计结构和理论模型,进行吉布斯自由能计算。其目的是看它们是否能和锂发生电化学反应,以判断哪些合金适合用于锂离子电池负极材料。通过系统的计算发现,其中Co-Sn合金包含Co3Sn2,CoSn和CoSn2三种化合物,而CoSn2是一个非常具有开发潜力的合金材料。所以第四章将对它们进行系统的合成和研究。电化学性能测试表明这三种合金,随着Sn含量的增加,脱嵌锂反应变得更加容易,容量也逐渐增大。另外,在利用高能球磨法合成样品时,在原料中添加少量的石墨,可以有效地提高材料的循环性能。通过以上的理论、实验开发和研究,我们发现锂离子电池合金负极材料的电化学性能与组成合金的元素种类及成分,材料的晶体结构,电子结构,以及电荷分布等性质有着密切的关系。在第五章中,为了寻找合金嵌锂容量与晶体结构和元素组成的关系,特地选取了两种晶体结构非常相似的合金材料Cu6Sn5和Ni3Sn2进行研究。本论文设计实验合成具有单相Ni2In型六方结构的合金系列NixCu6-xSn5（x=0.0,0.5,1.0,2.0,4.0）,利用量子化学计算和实验相结合的方法研究,结果发现随着Ni掺杂含量的增加,合金容量逐渐下降,但循环性能逐渐变好。并且,在锂离子与合金发生锂脱嵌反应过程中,锂离子首先在合金晶包内部的空位进行嵌入,这将导致晶包能量上升,在一定量锂离子的嵌入之后才发生锂和Cu或Ni的取代。在这个过程中,能量的上升相当于反应要越过一个能垒,如果能垒过高,如Ni3Sn2,反应将无法进行下去,这就是导致许多合金材料不能发生脱嵌锂反应,容量很低的原因。在第六章中,设计实验合成了合金系列CoxCu6-xSn5（0≤x≤2）,并测试了它们的电化学性能。研究发现适量Co掺杂时,及CoCu5Sn5合金,具有最好的电化学性能。从理论计算的角度,本论文从合金材料的晶体结构、热稳定性,以及与锂离子发生脱嵌反应生成的中间产物的电子结构、电荷态密度分布等角度进行了深入探讨,很好的解释了材料电化学性能和其结构的关系。结果表明,合金CoxCu6-xSn5在脱嵌锂反应过程中生成中间相化合物Li2CoyCu1-ySn,并且此中间相化合物随着Co含量的增加,逐渐变得不稳定,从而导致电化学性能发生变化。论文第七章,为了深入研究锂离子在合金内部扩散的动力学性质,采用经典的电化学测试方法（PITT和EIS）研究了Cu6Sn5合金中锂离子迁移的扩散系数。结果发现锂离子在合金材料中的扩散并没有想象中的慢,在充放电的大部分电位区间内,扩散系数在10-11～10-10cm2/s之间。但是,在充放电平台电位,锂离子扩散非常地慢,扩散系数低于10-11cm2/s。而且在扩散系数对放电电位作图地曲线中,明显地存在两个扩散系数的极小值,与Cu6Sn5放电曲线地两个平台吻合。PITT和EIS两种方法得到的实验数据也非常吻合。这很可能是由于合金中的相变过程阻碍了锂离子的扩散。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 锂离子电池和电极材料
• 1.1 锂离子电池及其工作原理
• 1.2 锂离子电池的发展简史
• 1.3 锂离子电池的性能、特点和应用
• 1.4 锂离子电池负极材料的研究进展
• 1.4.1 碳素负极材料
• 1.4.2 氮化物负极材料
• 1.4.3 硅及硅的化合物负极材料
• 1.5 新型合金负极材料
• 1.5.1 一元金属
• 1.5.2 二元合金
• 1.5.3 多元体系
• 1.5.4 碳掺杂合金体系
• 1.5.5 结束和展望
• 1.6 本论文的研究动机和内容
• 1.7 参考文献
• 第2章 第一性原理的计算方法
• 2.1 密度泛函理论
• 2.2 平面波和混合基展开的第一性原理赝势法
• 2.2.1 平面波基矢
• 2.2.2 混合基
• 2.2.3 赝势
• 2.2.4 力和Hellman-Feyman定理
• 2.3 VASP程序包
• 2.4 参考文献:
• 第3章 第一性原理计算方法在锂离子电池材料研究中的应用
• 3.1 量子化学计算能够为我们做什么?
• 3.2 总能量的计算
• 3.3 平均电位的计算
• 3.4 脱嵌锂难易程度的判断
• 3.5 反应路径的探索
• 3.5.1 一元金属与锂反应的反应路径研究
• 3.5.2 二元合金与锂反应的反应路径研究
• 3.6 结构稳定性的判断
• 3.7 常见合金的筛选
• 3.8 量子化学计算的局限性
• 3.9 参考文献
• 第4章 Co-Sn合金作为锂离子电池负极材料的研究
• 4.1 介绍
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 Co-Sn合金的合成和表征
• 4.3.2 Co-Sn合金的充放电性能测试
• 4.3.3 锂离子嵌入机理研究
• 4.3.4 结晶程度对充放电性能的影响研究
• 4.3.5 循环性能测试
• 4.3.6 Co-Sn合金循环性能的改善
• 4.4 结论
• 4.5 参考文献
• 6Sn₅合金材料的Ni掺杂研究——合金晶体结构和元素组成对其电池性能的影响研究'>第5章 Cu₆Sn₅合金材料的Ni掺杂研究——合金晶体结构和元素组成对其电池性能的影响研究
• 5.1 介绍
• 5.2 方法
• 5.2.1 实验部分
• 5.2.2 理论计算部分
• 5.3 结果和讨论
• 6Sn₅和Ni₃Sn₂的合成、结构表征和电化学性能'>5.3.1 Cu₆Sn₅和Ni₃Sn₂的合成、结构表征和电化学性能
• xCu_6-xSn₅合金的电化学性能测试'>5.3.2 Ni_xCu_6-xSn₅合金的电化学性能测试
• 6Sn₅和Ni₃Sn₂合金中脱嵌锂的相转变研究'>5.3.3 Cu₆Sn₅和Ni₃Sn₂合金中脱嵌锂的相转变研究
• 5.4 结论
• 5.5 参考文献
• 6Sn₅合金材料的Co掺杂研究——合金晶体结构、电子结构对其电池性能的影响研究'>第6章 Cu₆Sn₅合金材料的Co掺杂研究——合金晶体结构、电子结构对其电池性能的影响研究
• 6.1 介绍
• 6.2 方法
• 6.2.1 实验部分
• 6.2.2 理论部分
• 6.3 结果和讨论
• xCu_6-xSn₅合金的结构表征'>6.3.1 Co_xCu_6-xSn₅合金的结构表征
• xCu_6-xSn₅的稳定性研究'>6.3.2 Co_xCu_6-xSn₅的稳定性研究
• 6.3.3 电化学性能测试
• 6.3.4 锂离子嵌入脱出机理的研究
• 6.3.5 平均嵌入电位
• 6.3.6 可能的反应路径的探讨
• 6.3.7 电子态密度和电荷密度分布研究
• 6.4 结论
• 6.5 参考文献
• 第7章 合金电极中锂离子扩散动力学研究
• 7.1 PITT和EIS的方法介绍
• 7.1.1 电极上的热力学性质及库仑滴定
• 7.1.2 电位阶跃滴定法（PITT）求扩散系数
• 7.1.3 电化学交流阻抗法（EIS）求扩散系数
• 7.2 电极材料中锂离子扩散动力学的研究进展
• 7.2.1 负极材料石墨的锂离子动力学研究
• 2的锂离子动力学研究'>7.2.2 正极材料LiCoO₂的锂离子动力学研究
• 2O₄的锂离子动力学研究'>7.2.3 正极材料LiMn₂O₄的锂离子动力学研究
• 6Sn₅中锂离子扩散动力学研究'>7.3 Cu₆Sn₅中锂离子扩散动力学研究
• 7.3.1 实验部分
• 7.3.2 结果和讨论
• 7.3.3 结论
• 7.4 参考文献
• 论文发表情况
• 在校期间获得的奖励
• 致谢