锂离子掺杂石墨的第一性原理研究

万 怡，贺福强，徐浩然，赖大港

（贵州大学机械工程学院，贵阳 550025）

近年来，随着人们对环境和能源问题的日益关注，探究环保清洁的可持续性能源迫在眉睫。锂离子电池具有比能量高、循环寿命长、安全性能好等优点，是比较理想的清洁能源。锂电池及其材料已成为世界各国关注的重点，这也是我国能源领域重点扶持的高新技术产业。由于石墨具有高首次效率和高循环稳定性，近30年来一直作为锂离子电池的主要负极之一。

尽管石墨的理论电容量只有372 mAh/g，但因为其化学性质稳定，放电效率较高，在我国资源储量丰富等优点，石墨目前仍然是锂离子电池的主要负极材料。自从锂电池被商品化后，高性能锂电池负极材料也随之成为研究热点。锂电池石墨负极材料只有拥有更高的电比容量和压实密度，才能提高锂电池的能量密度。因此，研究石墨的嵌锂性质非常重要。作者采用第一性原理方法，计算石墨层间嵌入锂离子的结构模型，探究锂离子的掺杂机理、掺杂浓度以及掺杂后石墨的结构和电子性质的变化，为新型高容量锂电池的发展提供思路。

1 理论模型及计算方法

本研究基于建立的石墨材料超晶胞结构，在2×2×1的超晶胞模型中分别采用锂离子插层掺杂和锂离子取代掺杂（选择原子代替）的方式，建立锂离子不同掺杂浓度的计算模型，如图1所示。其中（b）（c）（d）表示一个锂离子掺杂，（e）表示两个锂离子插层嵌入。（b）和（c）分别是锂离子在不同插层掺杂位点（0.333，0.667，0.523）（0.833，0.667，0.974）处嵌入的模型；……