锂硫电池中二维材料对多硫化物吸附作用的理论研究

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锂硫电池(Li-S)因其具有高比容量(1675 mAh g-1)和高理论能量密度(2600Wh kg-1),能够满足传统电池无法满足的能源和大型电子设备的储能需求,被认为是新一代能源储备材料的候选者之一。单质硫作为锂硫电池的正极材料,以其低成本,环境友好,储量丰富被广泛关注。然而,锂硫电池的商业化过程仍面临诸多挑战,如容量的快速衰减,库伦效率差等。其中一个关键的难题在于,锂硫电池在充放电过程中产生的中间体多硫化物易溶解到电解液中,造成影响电池性能的“穿梭效应”。因此,科学家们致力于寻找新的材料或技术以解决上述问题。在本文中,我们选取了多种二维材料做为锂硫电池中多硫化物的锚定材料,运用第一性原理考察了它们的吸附性能,研究了其对“穿梭效应”的影响。主要内容如下:首先,采用金属硫化物SnS2作为多硫化物的锚定材料,运用第一性原理探究其对电池性能的影响。对多硫化物在SnS2表面的稳定吸附构型的吸附能及电荷转移等性质进行了分析,并对多硫化物在SnS2表面吸附结构的完整性进行了计算。结果表明,SnS2对多硫化物有中等强度的吸附作用,可以有效对其进行束缚,并且吸附过程中可以保持多硫化物分子结构的完整性。因此,SnS2可作为锂硫电池中抑制“穿梭效应”的候选材料。其次,我们选取第四主族的二维材料硅烯,锗烯和锡烯为研究对象,考察了纯净及金属和非金属掺杂材料对多硫化物的吸附作用机制,并对多硫化物在表面的扩散能垒进行了计算。通过对吸附作用强度以及扩散行为等因素的综合分析,认为未掺杂的硅烯、Sn掺杂的锗烯、Ge掺杂的锡烯以及B掺杂的锗烯作为多硫化物束缚材料表现出更优异的性能。最后,基于密度泛函理论,探究了多硫化物在非金属杂原子掺杂的磷烯表面的吸附机制。分别从吸附能,扩散能垒以及结构稳定性等方面进行综合评价,最终得出Si掺杂的磷烯各方面性能表现优异,成为最有潜力的多硫化物的锚定材料。
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