【摘 要】
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随着科学技术日新月异的发展,巨大的能源消耗及其带来的环境问题开始受到广泛关注。为了高效利用各种能源,高性能储能器件的相关研究已经成为目前科学研究热点。锂离子电池由于具有良好的循环稳定性以及高能量密度与可逆容量等优点,成为了目前日常生活中使用最为广泛的储能器件。但目前锂离子电池正面临着低温性能差、原材料价格不断攀升和提高安全性等挑战,探索替代锂离子电池的新型优质储能器件成为人们的迫切需求。钾元素作为
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随着科学技术日新月异的发展,巨大的能源消耗及其带来的环境问题开始受到广泛关注。为了高效利用各种能源,高性能储能器件的相关研究已经成为目前科学研究热点。锂离子电池由于具有良好的循环稳定性以及高能量密度与可逆容量等优点,成为了目前日常生活中使用最为广泛的储能器件。但目前锂离子电池正面临着低温性能差、原材料价格不断攀升和提高安全性等挑战,探索替代锂离子电池的新型优质储能器件成为人们的迫切需求。钾元素作为与锂同一主族的元素,具有接近锂离子电池的石墨储钾容量和地壳储量丰度高等优点,并且钾离子电池的工作原理与锂离子电池相同,这使得钾离子电池有望成为代替传统锂离子电池的储能设备。但由于钾离子的原子质量和半径比较大,嵌入负极时容易造成负极材料循环稳定性和充电效率较差。因此,寻找性能更好的负极材料已成为推进钾离子电池发展的迫切任务之一。层状碳材料可以满足钾离子的嵌入脱出,其优异的导电性和轻量化等特点会减弱钾离子大尺寸效应的影响,因此碳基材料作为钾离子电池的负极材料具有极大优势。本文通过第一性原理密度泛函与第一性原理分子动力学计算相结合的理论方法,深入分析了两种新型碳材料:锗碳复合材料（g-GeC）和氢取代型石墨二炔（HsGDY）在钾离子电池负极方面的应用潜力,该研究为理解碳材料储钾机理以及设计开发新的具有高容量和稳定性的钾离子电池负极材料提供理论指导,具体研究内容如下:1.发现在锗原子调节吸附能力的作用下,g-GeC是一种新型储钾材料。我们分析了单层g-GeC材料单侧和双侧吸附的情况,发现钾离子与g-GeC相互作用要优于钾离子与石墨的相互作用,并且锗原子与钾离子的结合更加稳定,从而导致其储钾容量可达320 m Ah/g。同时使用多种尺寸的超胞结构进行了不同浓度下的钾离子扩散效率的研究,发现钾离子可以通过Hge-Hh-Hge和Hge-HC-Hge两条路径完成高效率的离子迁移。2.发现具有边缘储存机制的HsGDY是一种潜在的钾离子电池负极。我们通过碳层间的结合能确定了稳定的AB形式堆垛的体材料HsGDY,并对单层和体材料的HsGDY都进行了吸附机理和电化学性能的研究。HsGDY的超大六边形孔洞为钾离子提供了丰富的储存位点,使其容量高达1094 m Ah/g,同时分子动力学测试证明了高钾负载下结构的稳定性。较低的平均开路电压（0.38 V）也保证了正负两极之间会有比较宽范围的工作电压来维持电压持续稳定的输出。并且,钾离子沿碳层的堆垛方向的扩散势垒仅为0.14 e V,这表明钾离子具有足够快的扩散速率。3.电荷转移分析被应用在吸附机理的研究中。在g-GeC和HsGDY两种材料的研究中,通过差分电荷密度以及Bader电荷分析定量地判断了钾离子与基底材料的相互作用强弱。g-GeC体系中电荷转移量解释了单层材料双侧钾离子吸附比单侧钾离子吸附更强;HsGDY体系中存在的sp~1杂化碳对钾离子吸附的贡献要大于sp~2杂化碳,并且转移的电荷主要分布在碳链的碳原子周围,进一步解释了HsGDY中存在的边缘储存机制。
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