Sin团簇/石墨烯(n≤6)结构稳定性和储锂性能的第一性原理计算

摘要

目前,硅/碳复合材料是锂离子电池最有潜在应用前景的高容量负极材料之一,硅与碳材料的界面状态是影响其电化学性能的重要因素.本文在作为碳材料结构单元的石墨烯表面构建了Sin(n≤6)团簇,采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法研究了Sin团簇/石墨烯(Sin/Gr)的几何构型、结构稳定性和电子性质.结果表明,当Si原子数n≤4时,Sin团簇优先以平行于石墨烯的二维构型沉积在石墨烯表面,当n≥5时,Sin团簇优先以三维立体构型沉积在石墨烯表面.随着n的增大,Sin团簇在石墨烯表面的热力学稳定性显著降低,两者之间的界面结合减弱,并且伴随着Sin团簇与石墨烯之间的电荷转移也越来越少.同时还研究了Sin/Gr复合构型的储锂能力,Li原子主要存储在Sin团簇临近的石墨烯表面和Sin团簇周围,Sin团簇与石墨烯复合形成的协同作用增强了Li原子吸附的热力学稳定性.当n≤4时,存储2个Li原子有利于提高xLi-Sin/Gr体系的热力学稳定性,继续增加Li原子数x会导致稳定性降低;当n≥5时,稳定性随着Li原子数x的增多而逐渐降低.