锂离子电池正极材料LiCoO2的薄膜制备与第一性原理研究

论文摘要

从实验和理论两个方面对锂离子电池正极材料LiCoO2进行研究。一、使用脉冲激光沉积技术,在不同的沉积条件下制备了锂离子电池正极材料LiCoO2的薄膜。用XRD对样品进行晶体结构分析,用SEM、FESEM和AFM分析了样品的表面形貌。结果显示,在光滑的Si（100）、Si（111）和不锈钢上LiCoO2均沿c轴择优生长;激光脉冲频率和衬底温度是影响晶粒大小的最主要因素;在较大的脉冲频率（35Hz）下沉积的LiCoO2薄膜呈现随机生长;正常范围的氧压对LiCoO2薄膜的影响不大;但当氧压过低时,会出现晶格缺氧现象,同时表面也更为粗糙;退火处理对高温（600°C）沉积的LiCoO2薄膜没有明显的影响。另外,在Si（100）制备了LiCoO2/MgO双层薄膜,XRD和FESEM显示MgO（111）面能在LiCoO2（003）面上外延生长。二、基于密度泛函理论,使用第一性原理PAW-GGA方法,研究了LiCoO2（104）表面的几何结构和电子结构。结果显示,受磁效应的影响,LiCoO2（104）表面的局域几何结构出现明显的扭曲,特别是表面Co原子和其正下方O原子之间的距离拉大较多;另外,表面电子结构变化较大,表面O的价态变成非饱和,即表面O原子不是-2价。LiCoO2（104）表面的几何结构和电子结构的这些变化不利于LiCoO2晶粒在电解液中的长期稳定。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 绪论
• 1.1 锂离子电池概述
• 1.1.1 锂离子电池的一些概念
• 1.1.2 锂离子电池的发展过程与市场前景
• 1.1.3 锂离子电池的工作原理
• 1.1.4 锂离子电池的优势和不足
• 2'>1.2 正极材料LiCoO₂
• 2 的晶体结构和电子结构'>1.2.1 LiCoO₂的晶体结构和电子结构
• 2 的充放电机理'>1.2.2 LiCoO₂的充放电机理
• 2 的改性'>1.2.3 LiCoO₂的改性
• 1.3 全固态薄膜锂离子电池
• 1.4 研究动机
• 1.5 本文的内容
• 2. 脉冲激光沉积
• 2.1 脉冲激光沉积系统的结构
• 2.2 脉冲激光沉积技术的原理
• 2.3 脉冲激光沉积技术的特点
• 2薄膜的PLD 制备'>3. LiCoO₂薄膜的PLD 制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 沉积条件测试
• 2/MgO 双层薄膜的制备'>3.2.2 LiCoO₂/MgO 双层薄膜的制备
• 3.2.3 样品的表征
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 不同沉积条件对薄膜质量的影响
• 3.3.1.1 衬底的影响
• 3.3.1.2 激光脉冲频率的影响
• 3.3.1.3 气氛氧压的影响
• 3.3.1.4 衬底温度的影响
• 3.3.1.5 退火温度和时间的影响
• 2/MgO 的界面'>3.3.2 LiCoO₂/MgO 的界面
• 3.4 结论
• 4. 第一性原理方法简介
• 4.1 密度泛函理论
• 4.1.1 绝热近似
• 4.1.2 单电子近似
• 4.1.3 Kohn-Sham 方程
• 4.1.4 LDA 和GGA
• 4.1.5 布洛赫定理
• 4.2 赝势平面波方法
• 4.3 能带电子的平面波基底展开
• 4.4 自洽计算
• 4.5 结构优化
• 2（104）表面的第一性原理研究'>5. LiCoO₂（104）表面的第一性原理研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法和表面模型
• 5.3 结果和讨论
• 5.3.1 体相
• 5.3.2 表面几何结构
• 5.3.3 表面电子结构
• 5.4 结论
• 6. 总结
• 参考文献
• 在学期间公开发表论文及著作情况
• 致谢