[发明专利]一种预测硅-石墨烯复合材料可逆容量模拟方法

说明书

本发明公开了一种预测硅‑石墨烯复合材料可逆容量模拟方法，按下述步骤进行：①将硅和石墨烯加入模拟盒子建立硅‑石墨烯复合材料的初始模型；②对硅‑石墨烯复合材料的初始模型进行嵌锂；③对嵌锂后的硅‑石墨烯复合材料体系进行最大理论锂容量的计算；④对嵌锂后的硅‑石墨烯复合材料体系进行可逆锂容量的计算。本发明具有良好的准确性和实用性，可有效提高新型锂电池硅基电极材料的开发效率。

技术领域

本发明涉及一种针对硅-石墨烯复合材料的模拟方法，特别是一种预测硅-石墨烯复合材料可逆容量模拟方法。

背景技术

由于传统石化能源的匮乏和其带来的日益严重的环境问题，人们对新能源的开发和高效利用开展了大量研究工作。锂离子因其具有能量高、使用寿命长、重量轻、体积小等一系列优点，引起国际电池界和科技界的普遍关注和重视。尤其是随着世界各国对能源安全和环境保护在战略上更加重视，电动汽车以其节能、低排放的特点被各国作为战略型新型产业来大力发展。

电极材料是决定锂电池综合性能优劣的关键因素，开发新一代高性能电极材料是锂电池研究的重要方向。目前商用的锂电池负极材料主要采用石墨，因为其资源丰富，且成本很低。但石墨电极的能量密度较低(容量为372mAh/g)，且沉积可能造成安全问题，从而限制了其进一步发展。硅是非常有潜力的锂电池负极材料，其在所有负极材料中其具有最高的理论容量(4200mAh/g)，但硅在循环充放电的过程中会出现很大的体积变化，使得硅颗粒粉碎并脱离跟电极片的接触，迅速导致容量衰减和缩短循环的寿命。石墨烯是一种单层碳原子层，由于其原子厚度的二维晶体结构、独特的电子结构、高机械强度、高的表面积和优良的电子传导率，因此引起了极大的关注。将石墨烯与硅相结合，是一种非常具有应用前景的电极材料解决方案。石墨烯在与硅接触的性能方面比其他的碳材料更优越，并在充电放电过程中，能有效的防止硅的体积膨胀、收缩和聚集。制备的材料中一般都有空隙，材料中的空间能够很好的缓解因为硅的体积变化对电极的结构影响。对硅-石墨烯复合材料进行高效的分析和设计，是其商业化应用的关键，但对其电化学性能进行预测的方法还比较缺乏。

由于传统的电极材料设计方法存在周期长、费用高等局限性，通过大量的测试研究来寻求最佳设计是非常困难的。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种预测硅-石墨烯复合材料可逆容量模拟方法。本发明具有良好的准确性和实用性，可有效提高新型锂电池硅基电极材料的开发效率。

本发明的技术方案：一种预测硅-石墨烯复合材料可逆容量模拟方法，按下述步骤进行：

①将硅和石墨烯加入模拟盒子建立硅-石墨烯复合材料的初始模型；

②对硅-石墨烯复合材料的初始模型进行嵌锂；

③对嵌锂后的硅-石墨烯复合材料体系进行最大理论锂容量的计算；

④对嵌锂后的硅-石墨烯复合材料体系进行可逆锂容量的计算。

上述的预测硅-石墨烯复合材料可逆容量模拟方法，所述步骤①中的建立方法是，

a.硅与石墨烯之间空隙层厚度选为15埃，模拟盒子上方加入厚度为50埃的真空层，在三个方向均采用周期边界条件；

b.用广义梯度近似和Perdew-Burke-Ernzerhof泛函来准确描述吸附物与各种表面之间的相互作用；采用超软赝势方法来描述电子与离子的相互作用；平面波的切断能设为380eV；几何优化采用共轭梯度法，收敛标准设置为残余力布里渊区采用3×3×3的K点网络。

c.模拟盒子尺寸根据几何优化计算进行确定。

前述的预测硅-石墨烯复合材料可逆容量模拟方法，所述步骤②中的嵌锂方法是将锂原子逐个加入到初始模型空隙中。

上述的预测硅-石墨烯复合材料可逆容量模拟方法，嵌锂方法是按下述步骤进行：