[发明专利]一种碳材料的应用及其模拟仿真方法

说明书

本发明公开了一种碳材料的应用及其模拟仿真方法，基于第一性原理的密度泛函理论和分子动力学仿真模拟方法，通过优化材料结构，模拟钠离子在其表面吸附和扩散的过程，揭示碳材料中钠离子与二维碳材料间的相互作用规律，综合分析了钠离子电池在采用上述二维碳材料作为电池负极材料时，在吸附能、扩散势垒、开路电压等方面的性能表现，并提出了碳材料net‑τ可作为钠离子电池负极材料的应用。

技术领域

本发明涉及碳材料，特别是涉及一种电池材料及其模拟方法和应用。

背景技术

目前，对可持续和绿色能源的需求大量增加，新一代电池的设计和制造受到了广泛关注。钠元素在地壳中较为丰富的存储资源，成本低廉，性能优，使得近年来钠离子电池开始广泛研究。然而，比容量大、稳定性高、扩散速度快的高效电池材料是钠离子再充电电池(LIBs/NIBs)的关键要求。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种碳材料的应用及其模拟仿真方法，该碳材料可以作为钠离子电池负极材料，并通过模拟仿真，以揭示碳材料中钠离子与二维材料net-τ间的相互作用规律，综合分析了该碳材料的电化学性能。

技术方案：本发明提供了一种碳材料在钠离子电池中的应用，所述碳材料为二维材料。

优选地，将上述碳材料作为钠离子电池的负极材料，其中，该碳材料为二维碳同素异形体net-τ或net-C18。

本发明还提供了上述碳材料作为钠离子电池负极材料的模拟仿真方法，基于第一性原理和密度泛函理论，通过Materials Studio建立材料模型，用VASP软件模拟程序进行DFT计算，通过能带和态密度的分析确定了结构的稳定性；通过差分电荷密度分析了材料的电子特性，采用CI-NEB方法确定了相邻稳定点之间的多迁移通道，并综合考虑扩散系数和静电势分布来选择最优路径，同时提出了一种试验合成制备的方法。综合分析了上述碳材料具有高比容量，较低的扩散势垒和开路电压。同时提出二维碳材料net-τ是一种很有前途的钠离子电池负极材料。

其中，爬坡镜像的轻推弹性带方法，英文名是climbing image nudged elasticband，简称CI-NEB。

本发明提出二维碳材料作为钠离子电池负极材料的应用，并通过理论模拟得到二维碳材料的电化学性能，可以作为一种二维碳材料应用于钠离子电池负极材料的预测方法。其中，二维材料net-τ吸附Na原子具有较高的比容量(3574mAh g^-1)，较低的Na离子迁移势垒(0.50eV)，较低的平均开路电压(0.42V)；经验证二维材料net-τ很适合被用来作为钠离子电池负极材料。

具体包括以下步骤：

(1)基于第一性原理和密度泛函理论，构建二维材料模型，并对材料结构进行优化，得到材料稳态构型；

(2)计算二维材料的能带和电子态密度，分析结构的稳定性；

(3)分析材料的电化学性能：通过差分电荷密度分析材料的电子特性，采用CI-NEB方法分析钠离子在材料中扩散过程，分析材料的比容量和开路电压。

上述步骤(1)，包括根据二维材料的晶格参数、原子种类、原子个数和原子间键长构建周期性二维蜂窝状晶体结构模型；利用VASP软件模拟程序对二维材料进行结构优化，获得材料稳态构型。

上述步骤(3)中，通过差分电荷密度分析材料的电子特性包括以下步骤：

(a)根据结构模型的特点选取原始晶胞，在原始晶胞的不等价位上进行单个Na原子吸附，确定Na原子吸附的稳定位点；

(b)计算Na原子吸附的稳定位点的电子态密度和bader数值，并绘制差分电荷密度图；

(c)分析Na原子和C原子之间的相互作用。