石墨烯掺杂对钾离子电池性能影响的第一性原理研究开题报告

全文总字数：4114字

1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来由于科技的快速发展,使得对能源的需求越来越高。化石能源的持续消耗以及其造成的环境问题使得人们对新能源的渴望日益增大。目前最火热的新能源的研究是锂离子电池的研究，然而锂资源的稀缺以及随之而来的锂离子电池成本的提高，很大程度上限制了其在大规模储能中的应用，因此在能源储存体系中寻求无资源限制、高能量密度的二次电池体系成为有待解决的问题^[1-3]。而可以有效解决这个问题的是钾离子电池。

钾有着接近于锂的低标准氧化还原电位（-2.93v相对于标准电极电位），从而导致钾离子电池（kibs）具有相对较高的能量密度^[4]。钾元素在地壳中钾的丰富的储存量（1.5 wt.%）导致钾离子电池具有低的成本，以及钾离子电池在电解质中具有快速的离子传输动力学都使得钾离子电池具有优越的前景^[5]。目前，国内外研究中钾离子电池的研究还处于初期阶段，但随着科研者不断深入和广泛的研究，钾离子电池已经展现出其光辉的未来^[6]。钾离子电池研究热点中，正极材料主要集中于普鲁士蓝类材料;负极材料则主要集中于嵌入型，合金型以及碳材料负极材料;电解液方面则是在与材料的匹配性上进行了部分探索^[7-10]。

相比于锂离子,钾离子半径较大,在材料体相中的迁移速度较慢,并使得材料承受较大的结构应力,从而导致钾离子电池的电化学性能优势不足，在充放电过程中材料会发生较大体积变化，导致电极结构受损，从而影响kib性能。因此，急需要开发具有高稳定性、高性能的kib电极材料。碳材料成本低、储量大且对环境友好，是最有前景的负极材料；目前各种碳基材料受到广泛研究，石墨烯材料就是其中的典范^[11]。然而，这些材料在kib的电化学性能和稳定性远远低于在lib中，因此对其进行改性研究是必须的。^[12]而通过对石墨烯不同的掺杂可以有效地提高钾离子电池的电化学性能，因此，为了更好地石墨烯掺杂对钾离子电池的影响从而改善电池性能，了解其中掺杂基团与石墨烯作用的机理是十分重要的^[13]。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：

（1）研究不同掺杂模型gr-6n，gr-5n，gr-qn，gr-cooh，gr-co，gr-oh对钾离子的束缚作用，并分析石墨烯的物化性质和掺杂的影响。

（2）研究这这些掺杂模型对k离子的吸附位点以及吸附能。最后分析和对比这些掺杂模型的电化学储钾能力的潜力。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需计算方法。确定技术方案，并完成开题报告。

第4-6 周：熟悉 materials studio 软件的操作，按照设计方案构建掺杂石墨烯体系的结构模型，包括 gr-6n，gr-5n，gr-qn，gr-cooh，gr-co，gr-oh，并初步对搭建的模型进行结构优化。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]宋刘斌,黎安娴,肖忠良,池振振,曹忠.第一性原理在锂离子电池电极材料中的应用研究[j].化工学报,2019,70(06):2051-2059.

[2]吴琰.石墨锂离子电池负极材料的改性研究[d].山东大学,2018.

[3]jue wang,bin wang,zhaomengliu,ling fan,qingfeng zhang,hongbo ding,longlu wang,hongguan yang,xinzhiyu,bingan lu. nature of bimetallic oxide sb2moo6/rgo anode for high‐performancepotassium‐ion batteries[j]. advancedscience,2019,6(17).