钠离子电池中有机电极材料的储钠机制研究与结构设计.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文
分 类 号 密 级

太原理工大学
硕 士 学 位 论 文


钠离子电池中有机电极材料的储钠机制研究与

题 目 结构设计

Sodium-storage Mechanistic study and Structural
Design of Organic Electrode Materials in Sodium-ion
英文并列题目 battery



研究生姓 名： 赵晓琳
学 号： 2015510187
专 业： 材料科学与工程
研 究 方 向：有机电极材料的理论计算
导 师 姓 名： 康利涛/刘建军
职 称： 副教授/研究员


学位授予单位：太 原 理 工 大 学
论文提交日期 2018/4/8
地 址： 山西·太原

太 原 理 工 大 学
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钠离子电池中有机电极材料的储钠机制研究与结构设计

摘 要
随着电动汽车等产业的发展，以及市场对锂二次电池需求量的不
断增加，使得锂资源的严重短缺，从而造成锂二次电池生产成本的提
高与应用规模的缩小。由于钠元素与锂元素物化性质相近，且具有储
量丰富、价格低廉等优点，所以，由钠元素制备的钠离子电池是一类
具有发展潜力的新型电池体系。钠离子电池的有机物电极材料具有理
论比容量高、原材料来源丰富、结构可设计性强等优点，成为了钠离
子电池研究热点之一。目前，研究人员开发了多种钠离子电池的有机
电极材料，但对其储钠机理的认知却并不完善。例如，目前已经确认
的烯醇化作用和单双键重整二种储钠机制不能解释纯碳环和非共轭有
机分子的储钠机制。因此，运用理论方法探索有机电极材料的新型碳
储钠机制，并实现对具有储钠活性有机电极材料的快速甄别，对研究
和开发新型有机电极材料具有重要意义。
本论文基于第一性原理，对有机电极材料的晶体结构和电子结构
进行研究与分析，寻找钠离子在电极材料中的扩散路径，预测嵌入钠
离子的放电电压，揭示在嵌入钠离子的过程中电极材料的结构相变及
导电性等物理性能变化，以探索潜在的高性能储钠电极材料。通过这
些数据的计算和分析，有助于科研人员更好地理解材料的储钠机理，
了解材料结构对储钠机理和材料性能的具体影响，为设计新型材料奠
定理论基础。为解决有机电极材料中碳储存钠离子的活性，碳参与电
I
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化学反应的稳定性，提高材料的能量密度，新型储钠机制等问题，本
论文的主要研究内容为：
（1）共轭体系 Zn-PTCDA 中芳香碳环储钠活性的活化与机制分析：
共轭金属有机物的结构框架可以通过不同过渡金