CN110472361A - 硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池技术领域，具体而言，涉及硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法；本发明的方法包括对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行锂原子吸附，经优化后找到硼烯/硫化钼复合材料各个层面锂原子吸附稳态位置，并计算出吸附过程锂原子的吸附能；让锂原子在硼烯/硫化钼复合材料的各个层面的稳态位置间扩散，计算每条扩散路径需克服的能垒值；对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行嵌锂；对嵌锂后的硼烯/硫化钼复合材料体系进行最大理论锂容量的计算。本发明的方法能用于模拟计算出一种稳定的硼烯/硫化钼复合材料构型。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体而言，涉及硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法。
背景技术
随着二维材料制造的不断进步，硼烯被成功研发。硼烯拥有六元环结构，具有平面的各向异性，显示金属性和“褶皱”状的表面，在金属离子储存，快速原子扩散和导电方面的具有很大的潜在应用。硼烯完全锂化后的化学式为Li0.75B，理论容量为1860mAh/g，比阳极石墨(372mAh/g)高4倍。但是硼烯褶皱单层片缺乏稳定性，与金属或半金属表现出弱结合性，需要吸附在贵金属基底上，才能更能稳定存在。所以在考虑将硼烯作为电极材料时，为了它的稳定性，需要将硼烯与一种材料复合来一同用作电极材料。
发明内容
本发明的目的在于提供硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法，用于模拟计算出一种稳定的硼烯/硫化钼复合材料构型。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法，包括：
对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行锂原子吸附，经优化后找到硼烯/硫化钼复合材料各个层面锂原子吸附稳态位置，并计算出吸附过程锂原子的吸附能；
让锂原子在硼烯/硫化钼复合材料的各个层面的稳态位置间扩散，计算每条扩散路径需克服的能垒值；
对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行嵌锂；
对嵌锂后的硼烯/硫化钼复合材料体系进行最大理论锂容量的计算。
在可选的实施方式中，硼烯/硫化钼复合材料的初始模型的建立方法包括：
将已知的硼烯和硫化钼晶体结构数据导入Material Studio软件中的DMol3模块。
在可选的实施方式中，硼烯/硫化钼复合材料的初始模型的建立方法，具体包括：
硼烯和硫化钼之间空隙层厚度选为模拟空间上方选用大于的真空层，选取2×2超晶胞，在三个方向均采用周期边界条件。
在可选的实施方式中，硼烯/硫化钼复合材料的初始模型的建立方法，具体还包括：
用自旋极化广义梯度近似GGA和Perdew-Burke-Ernzerhof泛函作为交换关联函数，并采用DNP函数作为原子基组，几何优化采用共轭梯度法，收敛标准分别为能量收敛判据为1.0×10-5Ha，最大作用力收敛判据为最大原子位移判据为布里渊区K点取样选择为7×7×1。
在可选的实施方式中，对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行锂原子吸附，包括在硼烯/硫化钼复合材料的中间层、上方和下方分别吸附。
在可选的实施方式中，吸附能的计算公式为：
Ead＝E总-E基底-E吸附原子；
其中，E总代表硼烯/硫化钼复合材料吸附了锂原子后的总能量，E基底代表硼烯/硫化钼复合材料吸附前的总能量，E吸附原子代表锂原子的能量。
在可选的实施方式中，对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行嵌锂，包括：
将锂原子逐层加入到初始模型空隙中。
在可选的实施方式中，初始模型的每层空隙加入4个锂原子。
在可选的实施方式中，对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行嵌锂，具体包括：
在硼烯/硫化钼复合材料体系中由稳定层至次稳定层和第三稳定层依次嵌入锂原子，每吸附一层计算一次吸附能，直至吸附能大于0，停止吸附。
在可选的实施方式中，硼烯/硫化钼复合材料体系的最大理论锂容量的计算公式为：
其中，Xmax表示最大吸附的锂原子数，n代表锂原子吸附过程中转移的电子数，F代表法拉第常数26801mAh/mol，Mborophene代表硼烯/硫化钼的总质量，MM代表单个锂原子的质量。
本发明的硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法的有益效果包括：本发明实施例提供的硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法，通过计算锂原子在硼烯基上的吸附能力、扩散速度和硼烯/硫化钼复合材料体系的最大理论容量，模拟出一种解决硼烯单独存在不稳定的问题的硼烯/硫化钼复合材料构型，且通过上述各个计算能得到具有较高理论容量以及锂原子能快速脱嵌的硼烯/硫化钼复合材料构型，使得模拟出的硼烯/硫化钼复合材料构型能够作为一种理想的锂离子电池阳极材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明中硼烯/硫化钼复合材料的初始模型构型图；
图2a为锂原子吸附在硫化钼上表面的构型图；
图2b为锂原子吸附在硼烯/硫化钼双层结构中间的构型图；
图2c为锂原子吸附在硫化钼下表面的构型图；
图3a为锂原子在硼烯上表面层的3个扩散路径；
图3b为锂原子在双层结构中间的2个扩散路径；
图3c为锂原子在硫化钼下表面的1个扩散路径；
图4a为锂原子在path1扩散的能量和结构变化图；
图4b为锂原子在path2扩散的能力和结构变化图；
图4c为锂原子在path3扩散的能量和结构变化图；
图5a为锂原子在path4扩散的能量和结构变化图；
图5b为锂原子在path5扩散的能量和结构变化图；
图6为锂原子在path6扩散的能量和结构变化图；
图7a为局域态密度在吸附锂原子前本征的B/MoS2上的投影；
图7b为局域态密度在吸附锂原子后的锂原子和B/MoS2上的投影。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下对本发明的硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法进行详细描述。
本发明的硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法，包括：
S2：对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行锂原子吸附，经优化后找到硼烯/硫化钼复合材料各个层面锂原子吸附稳态位置，并计算出吸附过程锂原子的吸附能。
S3：让锂原子在硼烯/硫化钼复合材料的各个层面的稳态位置间扩散，计算每条扩散路径需克服的能垒值。
S4：对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行嵌锂。
S5：对嵌锂后的硼烯/硫化钼复合材料体系进行最大理论锂容量的计算。
本发明的硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法通过计算锂原子在硼烯基上的吸附能力、扩散速度和硼烯/硫化钼复合材料体系的最大理论容量，模拟出一种解决硼烯单独存在不稳定的问题的硼烯/硫化钼复合材料构型，且通过上述各个计算能得到具有较高理论容量以及锂原子能快速脱嵌的硼烯/硫化钼复合材料构型，使得模拟出的硼烯/硫化钼复合材料构型能够作为一种理想的锂离子电池阳极材料。
本发明的硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法，还包括在S2步骤之前的S1步骤建立硼烯/硫化钼复合材料的初始模型，包括：将已知的硼烯和硫化钼晶体结构数据导入Material Studio软件中的DMol3模块。
进一步地，上述S1步骤硼烯/硫化钼复合材料的初始模型，具体包括：硼烯和硫化钼之间空隙层厚度选为模拟空间上方选用大于的真空层，选取2×2超晶胞，在三个方向均采用周期边界条件。
需要说明的是，因为硼烯和硫化钼之间易发生相对滑移，硼烯/硫化钼之间会存在多种构型，本发明还可以用另一种硼烯/硫化钼复合材料的初始模型，其与上述的初始模型的区别在于：硼烯和硫化钼之间空隙层厚度选为的构型。
S1步骤硼烯/硫化钼复合材料的初始模型，具体还包括：用自旋极化广义梯度近似GGA和Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)泛函作为交换关联函数，并采用DNP函数作为原子基组，几何优化采用共轭梯度法，收敛标准分别为能量收敛判据为1.0×10-5Ha，最大作用力收敛判据为最大原子位移判据为布里渊区K点取样选择为7×7×1。根据控制变量原理，模拟计算中的所有体系的参数值保持不变。
本发明的S2步骤中，对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行锂原子吸附，包括在硼烯/硫化钼复合材料的中间层、上方和下方分别吸附。
本发明中吸附能的计算公式为：
Ead＝E总-E基底-E吸附原子；
其中，E总代表硼烯/硫化钼复合材料吸附了锂原子后的总能量，E基底代表硼烯/硫化钼复合材料吸附前的总能量，E吸附原子代表锂原子的能量。
本发明的S4步骤中，对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行嵌锂，包括：将锂原子逐层加入到初始模型空隙中。
进一步地，初始模型的每层空隙加入4个锂原子。
具体包括：在硼烯/硫化钼复合材料体系中由稳定层至次稳定层和第三稳定层依次嵌入锂原子，每吸附一层计算一次吸附能，直至吸附能大于0，停止吸附。
本发明的S5步骤中硼烯/硫化钼复合材料体系的最大理论锂容量的计算公式为：
其中，Xmax表示最大吸附的锂原子数，n代表锂原子吸附过程中转移的电子数，F代表法拉第常数26801mAh/mol，Mborophene代表硼烯/硫化钼的总质量，MM代表单个锂原子的质量。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
S1步骤建立硼烯/硫化钼复合材料的初始模型。
具体包括：将已知的硼烯和硫化钼晶体结构数据导入Material Studio软件中的DMol3模块。
其中，硼烯和硫化钼之间空隙层厚度选为模拟空间上方选用大于的真空层，选取2×2超晶胞，在三个方向均采用周期边界条件；
用自旋极化广义梯度近似GGA和Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)泛函作为交换关联函数，并采用DNP函数作为原子基组，几何优化采用共轭梯度法，收敛标准分别为能量收敛判据为1.0×10-5Ha，最大作用力收敛判据为最大原子位移判据为布里渊区K点取样选择为7×7×1。根据控制变量原理，模拟计算中的所有体系的参数值保持不变。
S2步骤对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行锂原子吸附，经优化后找到硼烯/硫化钼复合材料各个层面锂原子吸附稳态位置，并计算出吸附过程锂原子的吸附能。
具体包括：对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行锂原子吸附，包括在硼烯/硫化钼复合材料的中间层、上方和下方分别吸附。
本发明中吸附能的计算公式为：
Ead＝E总-E基底-E吸附原子；
其中，E总代表硼烯/硫化钼复合材料吸附了锂原子后的总能量，E基底代表硼烯/硫化钼复合材料吸附前的总能量，E吸附原子代表锂原子的能量。
S3步骤让锂原子在硼烯/硫化钼复合材料的各个层面的稳态位置间扩散，计算每条扩散路径需克服的能垒值。
S4对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行嵌锂。
具体包括：对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行嵌锂，包括：将锂原子逐层(每层4个)加入到初始模型空隙中。具体步骤如下：在硼烯/硫化钼复合材料体系中由稳定层至次稳定层和第三稳定层依次嵌入锂原子，每吸附一层计算一次吸附能，直至吸附能大于0，停止吸附。
S5对嵌锂后的硼烯/硫化钼复合材料体系进行最大理论锂容量的计算。
计算公式为：
其中，Xmax表示最大吸附的锂原子数，n代表锂原子吸附过程中转移的电子数，F代表法拉第常数26801mAh/mol，Mborophene代表硼烯/硫化钼的总质量，MM代表单个锂原子的质量。
实施例2
实施例2的方法和实施例1类似，其不同之处在于步骤S1建立初始模型，实施例2中的S1步骤具体包括：将已知的硼烯和硫化钼晶体结构数据导入Material Studio软件中的DMol3模块。
其中，硼烯和硫化钼之间空隙层厚度选为模拟空间上方选用大于的真空层，选取2×2超晶胞，在三个方向均采用周期边界条件；
用自旋极化广义梯度近似GGA和Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)泛函作为交换关联函数，并采用DNP函数作为原子基组，几何优化采用共轭梯度法，收敛标准分别为能量收敛判据为1.0×10-5Ha，最大作用力收敛判据为最大原子位移判据为布里渊区K点取样选择为7×7×1。根据控制变量原理，模拟计算中的所有体系的参数值保持不变。
对实施例1的各个步骤进行分析：
已知硼烯和硫化钼之间的相互作用力为最弱的范德华力，层间易发生相对滑移，导致硼烯/硫化钼之间存在不同的构型。经过优化得出图1中的构型硼烯与硫化钼之间的相互作用更强，结构更加稳定。如图1所示，图1中结构是以2×2的硼烯晶胞与2×2的硫化钼晶胞复合，复合后的晶格常数为形成异质结前，晶格错配度为3％。硼烯和硫化钼之间的层间距为硼烯的皱褶深度为
相应的实施例2中：以2×2的硼烯晶胞与2×2的硫化钼晶胞复合，复合后的晶格常数为形成异质结前，晶格错配度为3％。结构的层间距为硼烯的皱褶深度为
锂原子在硼烯/硫化钼复合结构上的吸附可分为三种情况，如图2a至图2c所示，分别为硼烯上表面，硼烯/硫化钼双层结构中间和硫化钼下表面。
锂原子在硼烯上表面结构中吸附有6个不同的位置(图2a所示)，分别为T1，T2，B1，B2，H1，H2。锂原子分别单独吸附在这6个位置，经优化和扩散作用后得出硼烯上层只有一个稳态位置T1，不存在亚稳态。
表1 锂原子在硼烯上表面层吸附时的吸附能以及优化过后的位置
| 吸附位置 | Ead(eV) | 优化后的位置 |
| T1 | -0.26 | T1 |
| T2 | -0.81 | T2 |
| B1 | -0.80 | T2 |
| B2 | -0.81 | T2 |
| H1 | -0.81 | T2 |
| H2 | -0.79 | T2 |
锂原子吸附在硼烯/硫化钼双层结构中间有6个不同位置，分别为T1，T2，B1，B2，H1，H2(图2b所示)，优化后所有锂原子均迁移到T1位置，硼烯/硫化钼双层结构中间只存在稳态位置T1。
表2 锂原子在硼烯/硫化钼双层结构中间吸附时的吸附能以及优化过后的位置
| 吸附位置 | Ead(eV) | 优化后的位置 |
| T1 | -1.14 | T1 |
| T2 | -1.13 | T1 |
| B1 | -1.13 | T1 |
| B2 | -1.14 | T1 |
| H1 | -1.14 | T1 |
| H2 | -1.13 | T1 |
锂原子吸附在硫化钼下表面的共有T3，T4和H3三个位置(图2c所示)。优化后得到一个稳态位置T3。
表3 锂原子在硫化钼下表面吸附时的吸附能以及优化过后的位置
| 吸附位置 | Ead(eV) | 优化后的位置 |
| T3 | -0.11 | T3 |
| T4 | 0.05 | H3 |
| H3 | 0.05 | H3 |
在这三种情况中，锂原子在硼烯/硫化钼双层结构中间位置的吸附能最大，热稳定性最好，硼烯/硫化钼复合材料作为锂离子电池阳极材料时，在充放电过程中，锂离子最先占据硼烯/硫化钼复合材料的中间位置。
如图3a至图3c所示，锂原子在硼烯/硫化钼复合结构上的扩散共分为三个部分，一部分是在硼烯上表面层，另外一部分是在硼烯/硫化钼双层结构中间，还有一部分在硫化钼下表面。
如图4a至图4b所示，在硼烯上表面时锂离子的热平衡位置为T2，锂原子从一个T2位置到另外一个T2位置所需克服的能垒决定了锂原子在硼烯上表面的扩散速度。
如图5a和图5b，分别为锂原子在path4和path5扩散的能量和结构变化图；图6为锂原子在path6扩散的能量和结构变化图。锂原子可以在硼烯/硫化钼双层结构上的多方向的快速自由扩散，硼烯基拥有非常好的离子迁移率，用作电极材料充电速度会很快。
由图7a和图7b可知，在费米能级处的电子态密度不为0，材料表现为金属特性。锂原子的吸附对B/MoS2的PDOS的影响很小。锂和B/MoS2发生电子杂化，有强烈的静电相互作用，锂原子可以很容易吸附在基底表面。
比较图7a和图7b可知，图7b总锂原子的PDOS扩大了15倍。
模拟得到硼烯/硫化钼复合材料上最多能吸附20个锂原子，根据理论容量计算公式得到硼烯/硫化钼复合材料理论容量为566.66mAh/g。
综上所述，本发明实施例提供的硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法，通过计算锂原子在硼烯基上的吸附能力、扩散速度和硼烯/硫化钼复合材料体系的最大理论容量，模拟出一种解决硼烯单独存在不稳定的问题的硼烯/硫化钼复合材料构型，且通过上述各个计算能得到具有较高理论容量以及锂原子能快速脱嵌的硼烯/硫化钼复合材料构型，使得模拟出的硼烯/硫化钼复合材料构型能够作为一种理想的锂离子电池阳极材料。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法，其特征在于，包括：
对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行锂原子吸附，经优化后找到硼烯/硫化钼复合材料各个层面锂原子吸附稳态位置，并计算出吸附过程锂原子的吸附能；
让锂原子在硼烯/硫化钼复合材料的各个层面的稳态位置间扩散，计算每条扩散路径需克服的能垒值；
对硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行嵌锂；
对嵌锂后的硼烯/硫化钼复合材料体系进行最大理论锂容量的计算。
2.根据权利要求1所述的硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法，其特征在于，所述硼烯/硫化钼复合材料的初始模型的建立方法包括：
将已知的硼烯和硫化钼晶体结构数据导入Material Studio软件中的DMol3模块。
3.根据权利要求2所述的硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法，其特征在于，所述硼烯/硫化钼复合材料的初始模型的建立方法，具体包括：
所述硼烯和所述硫化钼之间空隙层厚度选为模拟空间上方选用大于的真空层，选取2×2超晶胞，在三个方向均采用周期边界条件。
4.根据权利要求3所述的硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法，其特征在于，所述硼烯/硫化钼复合材料的初始模型的建立方法，具体还包括：
用自旋极化广义梯度近似GGA和Perdew-Burke-Ernzerhof泛函作为交换关联函数，并采用DNP函数作为原子基组，几何优化采用共轭梯度法，收敛标准分别为能量收敛判据为1.0×10-5Ha，最大作用力收敛判据为最大原子位移判据为布里渊区K点取样选择为7×7×1。
5.根据权利要求1所述的硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法，其特征在于，对所述硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行锂原子吸附，包括在所述硼烯/硫化钼复合材料的中间层、上方和下方分别吸附。
6.根据权利要求1所述的硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法，其特征在于，所述吸附能的计算公式为：
Ead＝E总-E基底-E吸附原子；
其中，E总代表硼烯/硫化钼复合材料吸附了锂原子后的总能量，E基底代表硼烯/硫化钼复合材料吸附前的总能量，E吸附原子代表锂原子的能量。
7.根据权利要求1所述的硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法，其特征在于，对所述硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行嵌锂，包括：
将锂原子逐层加入到初始模型空隙中。
8.根据权利要求7所述的硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法，其特征在于，所述初始模型的每层空隙加入4个锂原子。
9.根据权利要求8所述的硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法，其特征在于，对所述硼烯/硫化钼复合材料的初始模型进行嵌锂，具体包括：
在硼烯/硫化钼复合材料体系中由稳定层至次稳定层和第三稳定层依次嵌入锂原子，每吸附一层计算一次吸附能，直至吸附能大于0，停止吸附。
10.根据权利要求1所述的硼烯/硫化钼复合材料构型的模拟方法，其特征在于，所述硼烯/硫化钼复合材料体系的最大理论锂容量的计算公式为：
其中，Xmax表示最大吸附的锂原子数，n代表锂原子吸附过程中转移的电子数，F代表法拉第常数26801mAh/mol，Mborophene代表硼烯/硫化钼的总质量，MM代表单个锂原子的质量。
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| CN112084622A (zh) * | 2020-07-28 | 2020-12-15 | 浙江师范大学 | 复合材料微观形貌的模拟方法、装置和电子装置 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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