基于第一性原理計算,本論文對石墨嵌鋰和潛在鋰離子電池負極材料石墨烯的儲鋰機制進行了系統的研究,主要內容包括石墨和嵌鋰石墨的幾何構型以及嵌鋰電位的研究;單層石墨烯嵌鋰體系電子結構的變化、不同晶胞模式對儲鋰行為的影響;雙層石墨烯嵌鋰體系中雙層石墨烯的結構變化以及缺陷雙層石墨烯對儲鋰量的影響。結果歸納如下:

    1.從第一性原理出發,研究了石墨嵌鋰后的幾何構型和嵌鋰石墨的電壓平臺。計算表明,鋰嵌入石墨中合適的六元環中心位置時,只引起石墨層間距的整體變化,而不引起石墨原子層內變化,保留了石墨的優良性能,該結構模型能很好地模擬真實的結構。我們計算了一階和二階嵌鋰石墨的電壓平臺,它們分別為0.081V和0.138V,這與0.085V和0.100V的實驗值符合得比較好。

    2.采用第一性原理計算對鋰在單層石墨烯上的吸附行為進行了研究。首先,我們對單層石墨烯的幾何結構進行討論,對鋰在單層石墨烯上吸附位點進行指認。計算表明,隨著鋰在石墨烯上的吸附,態密度圖上會出現相應的Li-2s態的退化,說明了電荷從孤立的鋰原子處轉移到石墨烯上,附鋰石墨烯電子能帶圖上出現π*帶扭曲,這是由于鋰的吸附使得半金屬性石墨烯出現金屬化。同時,我們發現不同晶胞模式的石墨烯對鋰的吸附行為有一定程度的影響,通過對(3×3)、(2×2)和(4×4)模式的晶胞中鋰吸附的討論,發現(2×2)是三個晶胞模式中最適合石墨烯儲存和釋放鋰的模式。3.采用第一性原理計算對鋰在雙層石墨烯上的嵌入機制進行了研究,包括鋰嵌入后對雙層石墨烯結構的影響和孤立碳原子缺陷對鋰儲存容量的影響。首先我們對雙層石墨烯結構進行討論,其層間堆積存在AB和AA兩種方式,且AA堆積大多以亞穩態形式存在。計算結果表明,從體系能量和層間距變化來看,AA堆積的雙層石墨烯更適合儲鋰;對AB堆積的雙層石墨烯,鋰嵌入后其體系能量和層間距變化較劇烈,這是由于當鋰嵌入AB堆積的雙層石墨烯達到一定量,兩石墨烯片層堆積形式發生了變化,兩片層會沿著特定的方向滑移最后轉變為AA堆積形式,并顯示了鋰嵌入后AB堆積結構到AA堆積結構的變化過程。真實的碳體系都是有缺陷的,在缺陷雙層石墨烯中,通過計算說明一個孤立碳原子缺陷能抓住6個鋰,提高了鋰在雙層石墨烯中的儲存量,缺陷使得半導體特性的雙層石墨烯變為活躍的金屬相,增加了電子電導和鋰的吸附量。