[發明專利]一種預測硅-石墨烯復合材料可逆容量模擬方法

有效

• 申請號: 201810979594.3
• 申請日: 2018-08-27
• 公開（公告）號: CN109145458B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 廖寧波
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 杭州萬合知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 33294
• 代理人: 余冬

本發明公開了一種預測硅?石墨烯復合材料可逆容量模擬方法，按下述步驟進行：①將硅和石墨烯加入模擬盒子建立硅?石墨烯復合材料的初始模型；②對硅?石墨烯復合材料的初始模型進行嵌鋰；③對嵌鋰后的硅?石墨烯復合材料體系進行最大理論鋰容量的計算；④對嵌鋰后的硅?石墨烯復合材料體系進行可逆鋰容量的計算。本發明具有良好的準確性和實用性，可有效提高新型鋰電池硅基電極材料的開發效率。

技術領域

本發明涉及一種針對硅-石墨烯復合材料的模擬方法，特別是一種預測硅-石墨烯復合材料可逆容量模擬方法。

背景技術

由于傳統石化能源的匱乏和其帶來的日益嚴重的環境問題，人們對新能源的開發和高效利用開展了大量研究工作。鋰離子因其具有能量高、使用壽命長、重量輕、體積小等一系列優點，引起國際電池界和科技界的普遍關注和重視。尤其是隨著世界各國對能源安全和環境保護在戰略上更加重視，電動汽車以其節能、低排放的特點被各國作為戰略型新型產業來大力發展。

電極材料是決定鋰電池綜合性能優劣的關鍵因素，開發新一代高性能電極材料是鋰電池研究的重要方向。目前商用的鋰電池負極材料主要采用石墨，因為其資源豐富，且成本很低。但石墨電極的能量密度較低(容量為372mAh/g)，且沉積可能造成安全問題，從而限制了其進一步發展。硅是非常有潛力的鋰電池負極材料，其在所有負極材料中其具有最高的理論容量(4200mAh/g)，但硅在循環充放電的過程中會出現很大的體積變化，使得硅顆粒粉碎并脫離跟電極片的接觸，迅速導致容量衰減和縮短循環的壽命。石墨烯是一種單層碳原子層，由于其原子厚度的二維晶體結構、獨特的電子結構、高機械強度、高的表面積和優良的電子傳導率，因此引起了極大的關注。將石墨烯與硅相結合，是一種非常具有應用前景的電極材料解決方案。石墨烯在與硅接觸的性能方面比其他的碳材料更優越，并在充電放電過程中，能有效的防止硅的體積膨脹、收縮和聚集。制備的材料中一般都有空隙，材料中的空間能夠很好的緩解因為硅的體積變化對電極的結構影響。對硅-石墨烯復合材料進行高效的分析和設計，是其商業化應用的關鍵，但對其電化學性能進行預測的方法還比較缺乏。

由于傳統的電極材料設計方法存在周期長、費用高等局限性，通過大量的測試研究來尋求最佳設計是非常困難的。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種預測硅-石墨烯復合材料可逆容量模擬方法。本發明具有良好的準確性和實用性，可有效提高新型鋰電池硅基電極材料的開發效率。

本發明的技術方案：一種預測硅-石墨烯復合材料可逆容量模擬方法，按下述步驟進行：

①將硅和石墨烯加入模擬盒子建立硅-石墨烯復合材料的初始模型；

②對硅-石墨烯復合材料的初始模型進行嵌鋰；

③對嵌鋰后的硅-石墨烯復合材料體系進行最大理論鋰容量的計算；

④對嵌鋰后的硅-石墨烯復合材料體系進行可逆鋰容量的計算。

上述的預測硅-石墨烯復合材料可逆容量模擬方法，所述步驟①中的建立方法是，

a.硅與石墨烯之間空隙層厚度選為15埃，模擬盒子上方加入厚度為50埃的真空層，在三個方向均采用周期邊界條件；

b.用廣義梯度近似和Perdew-Burke-Ernzerhof泛函來準確描述吸附物與各種表面之間的相互作用；采用超軟贗勢方法來描述電子與離子的相互作用；平面波的切斷能設為380eV；幾何優化采用共軛梯度法，收斂標準設置為殘余力布里淵區采用3×3×3的K點網絡。

c.模擬盒子尺寸根據幾何優化計算進行確定。

前述的預測硅-石墨烯復合材料可逆容量模擬方法，所述步驟②中的嵌鋰方法是將鋰原子逐個加入到初始模型空隙中。

上述的預測硅-石墨烯復合材料可逆容量模擬方法，嵌鋰方法是按下述步驟進行：