本發(fā)明屬于鋰電池電極材料領(lǐng)域，具體涉及一種二維碳化銅電極材料及其儲(chǔ)鋰性能計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、可充電鋰離子電池（libs）已成為智能手機(jī)、電動(dòng)汽車和電網(wǎng)等現(xiàn)代儲(chǔ)能系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。隨著這些領(lǐng)域需求的迅猛增長(zhǎng)，對(duì)鋰離子電池的性能要求也隨之提高。由于鋰離子電池的性能主要依賴于電極材料的質(zhì)量。因此，開發(fā)性能更優(yōu)越的電極材料，用以在全電池系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高的功率和能量密度，已成為一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。

2、目前，石墨是鋰離子電池中普遍使用的商業(yè)化負(fù)極材料，其具有較低的鋰離子插入化學(xué)勢(shì)和成本效益；然而其單位質(zhì)量活性位點(diǎn)密度較低（理論容量372mah/g），已經(jīng)難以滿足高能量密度需求，且離子擴(kuò)散速度較慢，這嚴(yán)重限制了其在需要高功率輸出場(chǎng)合的性能。為了克服這些缺點(diǎn)，研究者們正在探索具有更大比表面積和更快離子擴(kuò)散速率的負(fù)極材料，用以實(shí)現(xiàn)電池更高的充放電功率以及更大的電池容量。

3、一些二維材料，例如石墨烯、硅烯和二維過渡金屬化合物(mxenes)等，因其較大的表面體積比和離子擴(kuò)散通道，故而顯示出替代傳統(tǒng)石墨的潛力。在這些材料中，碳基的mxenes，如,,,，已展現(xiàn)作為libs負(fù)極材料的廣闊前景。

4、因此，基于第一性原理深入研究新材料二維（碳化銅）作為鋰離子電池負(fù)極材料的可能性具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種二維碳化銅電極材料。

2、本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種用于上述二維碳化銅電極材料的儲(chǔ)鋰性能計(jì)算方法。

3、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是：

4、一種二維碳化銅電極材料，包括位于中間的c原子層以及位于所述c原子層兩側(cè)的cu原子層，其中，所述c原子層與兩層cu原子層之間通過cu-c-cu鍵進(jìn)行連接。

5、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，所述二維碳化銅電極材料的晶格常數(shù)a和b相等，且均為3.048?。

6、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，所述二維碳化銅電極材料中的cu-c鍵長(zhǎng)為2.008?。

7、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，所述二維碳化銅電極材料的空間群為p-3m1。

8、一種二維碳化銅電極材料的儲(chǔ)鋰性能計(jì)算方法，包括以下步驟：

9、步驟1：從晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出二維過渡金屬化合物中的的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，利用vesta軟件將cu原子替換中的mn原子的位置，得到二維的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；

10、步驟2：采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算vasp模擬軟件包，在計(jì)算過程中，基于廣義梯度近似采用pbe交換關(guān)聯(lián)函數(shù)描述；

11、步驟3：設(shè)置相關(guān)參數(shù)，對(duì)二維的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到二維的優(yōu)化結(jié)構(gòu)；

12、步驟4：對(duì)二維的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算和電子性質(zhì)計(jì)算，以此獲得二維的能帶圖；

13、步驟5：采用vesta軟件截取6×6×1的二維超胞，采用vasp模擬軟件包計(jì)算出二維的聲子譜；

14、步驟6：采用vesta軟件截取3×3×1的二維超胞，加入鋰離子進(jìn)行吸附計(jì)算；

15、步驟7：用爬升圖像受迫彈性帶法ci-neb搜索得到鋰離子在二維表面中從一個(gè)吸附點(diǎn)遷移到另一個(gè)吸附點(diǎn)的最優(yōu)擴(kuò)散路徑，并通過計(jì)算得到擴(kuò)散勢(shì)壘；

16、步驟8：逐步加入鋰離子進(jìn)行計(jì)算，得到3×3×1的二維超胞的最大吸附鋰離子數(shù)，并通過計(jì)算得到二維的存儲(chǔ)鋰容量。

17、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，在步驟3中，設(shè)定的相關(guān)參數(shù)為：力學(xué)收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.01ev/a，能量收斂閾值為10-5ev，平面波截止能量為600ev。

18、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，在步驟7中，計(jì)算得到的擴(kuò)散勢(shì)壘為0.075ev。

19、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，在步驟8中，3×3×1的二維超胞的最大吸附鋰離子數(shù)為36。

20、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，在步驟8中，通過以下公式計(jì)算二維的存儲(chǔ)鋰容量：

21、；

22、式中：n是吸附離子的數(shù)量，f是法拉第常數(shù)，取值為26801ma.h/mol；m是二維超胞的摩爾質(zhì)量。

23、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，在步驟8中，計(jì)算得到二維的存儲(chǔ)鋰容量為770.7mah/g。

24、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

25、1、本發(fā)明的二維碳化銅電極材料不僅具有出色的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性能，而且還能有效吸附鋰離子，且鋰離子在其表面的遷移勢(shì)壘僅為0.075ev，這一低勢(shì)壘值預(yù)示著本發(fā)明的二維電極材料在電池中具有極高的充、放電速度。

26、2、本發(fā)明的二維碳化銅電極材料的理論比容量高達(dá)770.7ma?h/g，遠(yuǎn)優(yōu)于石墨的372?mah/g，這進(jìn)一步證實(shí)了本發(fā)明的二維電極材料作為鋰離子電池的電極材料的優(yōu)越性能。

技術(shù)特征：

1.一種二維碳化銅電極材料，其特征在于，包括位于中間的c原子層以及位于所述c原子層兩側(cè)的cu原子層，其中，所述c原子層與兩層cu原子層之間通過cu-c-cu鍵進(jìn)行連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維碳化銅電極材料，其特征在于，所述二維碳化銅電極材料的晶格常數(shù)a和b相等，且均為3.048?。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的二維碳化銅電極材料，其特征在于，所述二維碳化銅電極材料中的cu-c鍵長(zhǎng)為2.008?。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維碳化銅電極材料，其特征在于，所述二維碳化銅電極材料的空間群為p-3m1。

5.一種用于權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的二維碳化銅電極材料的儲(chǔ)鋰性能計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的二維碳化銅電極材料的儲(chǔ)鋰性能計(jì)算方法，其特征在于，在步驟3中，設(shè)定的相關(guān)參數(shù)為：力學(xué)收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.01ev/a，能量收斂閾值為10-5ev，平面波截止能量為600ev。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的二維碳化銅電極材料的儲(chǔ)鋰性能計(jì)算方法，其特征在于，在步驟7中，計(jì)算得到的擴(kuò)散勢(shì)壘為0.075ev。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的二維碳化銅電極材料的儲(chǔ)鋰性能計(jì)算方法，其特征在于，在步驟8中，3×3×1的二維超胞的最大吸附鋰離子數(shù)為36。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的二維碳化銅電極材料的儲(chǔ)鋰性能計(jì)算方法，其特征在于，在步驟8中，通過以下公式計(jì)算二維的存儲(chǔ)鋰容量：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的二維碳化銅電極材料的儲(chǔ)鋰性能計(jì)算方法，其特征在于，在步驟8中，計(jì)算得到二維的存儲(chǔ)鋰容量為770.7mah/g。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于鋰電池電極材料領(lǐng)域，具體公開了一種二維碳化銅電極材料及其儲(chǔ)鋰性能計(jì)算方法，其中，所述二維碳化銅電極材料包括位于中間的C原子層以及位于所述C原子層兩側(cè)的Cu原子層，其中，所述C原子層與兩層Cu原子層之間通過Cu?C?Cu鍵進(jìn)行連接；通過第一性原理計(jì)算結(jié)果表明，本發(fā)明的二維碳化銅電極材料不僅具有出色的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性能，而且還能有效吸附鋰離子，且鋰離子在其表面的遷移勢(shì)壘僅為0.075eV，這一低勢(shì)壘值預(yù)示著本發(fā)明的二維碳化銅電極材料在電池中具有極高的充、放電速度；此外，本發(fā)明的二維碳化銅電極材料的理論比容量高達(dá)770.7mAh/g，遠(yuǎn)優(yōu)于石墨的372?mAh/g，這進(jìn)一步證實(shí)了本發(fā)明的二維碳化銅電極材料作為鋰離子電池的電極材料的優(yōu)越性能。

技術(shù)研發(fā)人員：董華鋒,朱洪杰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣東工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28