文 献 综 述
硼纳米片应用于离子电池阳极材料的多尺度模拟
摘要 锂离子电池由于其体积小、质量轻、能量密度大、安全无污染等优点，受到广泛的关注，人们希望将其广泛应用于日常生活和工作中。目前使用的锂离子电池的电极材料限制了锂离子电池的性能，随着石墨烯的出现，二维纳米材料因其在结构特性、空间缺陷、比表面积和带电性等方面优异的特点，开始被研究应用于锂离子电池阳极材料的性能。人们采用第一性原理计算和和第一性原理分子动力学模拟来研究各种二维纳米材料作为离子电池阳极材料的各项性能，来寻找使离子电池达到高性能的电极替代材料。
关键字 锂离子电池 阳极材料 二维纳米材料 第一性原理计算
人类经济社会发展的同时，对自然界也造成了巨大的伤害，使环境污染和能源短缺日益严重，成为全球关注的两大问题。因此，开发和应用新型清洁能源成为了解决这些问题的首要关键，并且已经成为世界经济中具有决定性影响力的一项科学技术，与之相应的储能技术特别是化学电源的使用也亟待进一步提高。而在众多的新型清洁能源中，锂离子电池由于具有体积小、质量轻、能量密度大、循环稳定性好、自放电小、无记忆效应、安全可靠、无污染等突出优点，已经吸引了研究者的广泛关注；并且已经成为移动电话、笔记本电脑、平板电脑等个人便携式终端的重要化学电源，未来将成为混合动力基础。电动汽车等日常交通工具和人造卫星、宇宙飞船、潜艇、鱼雷、导弹、火箭、飞机等现代高科技产品的重要化学电源之一。我国在锂离子电池的研制方面已取得了很大的进展，并开始规模生产。国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006~2020年）已将高效能源材料列为重点发展的前沿技术之一，高效二次电池材料及管件技术是其中重要的组成部分。新型电极材料的制备和研究对离子电池的性能起到决定性的作用，因此，已经成为锂离子电池研究领域最为活跃的方向之一。
时至今日，纳米技术已涉及物理、化学、材料、生物和医学等众多领域，面对五花八门的“纳米产品”，纳米材料正悄无声息地改变人类的生活，引导人类进入一个崭新的“纳米时代”。中国著名科学家钱学森对此曾预言：“纳米将会带来一次技术革命，从而将引起21世纪又一次产业革命”。广义上的纳米材料指的是在三维空间中至少有一维的尺寸小于100 nm的材料或者由其作为基本结构单元构成的材料。纳米材料可分为零维纳米材料、一维纳米材料和二维纳米材料。零维纳米材料是指材料在空间的三个维度上均在100 nm以下，即纳米微粒、原子团簇等。一维纳米材料是指材料在两个维度上均在100 nm以下，即纳米丝、纳米棒、纳米线、纳米带和纳米管等。二维纳米材料是指材料又一个维度处于纳米尺寸，如超薄膜、石墨烯等。纳米材料的特性与其至少在一个维度的尺寸小于100 nm的性质密切相关，形象一点来说，1 nm的长度相当于人类发丝的万分之一。这个尺度位于原子和分子为代表的微观世界和以人类生活为代表的宏观体系的交界地带，是联系这两个重要组成部分的中间环节。因此，纳米材料展现出了许多独特的性质和新的规律，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应及介电效应等。
在众多纳米材料中，二维纳米材料的优势逐渐凸现出来，二维纳米材料因为其在结构特性、空间缺陷、比表面积和带电性等方面优异的特点，使其成为在电化学、催化、光学和磁学领域炙手可热的材料。随着石墨烯的出现，人们开始重点关注两维材料的特殊性能，而石墨烯由于缺乏内在的带隙、有毒性和价格昂贵等不足，引发了人们对于其相似结构和其他的二维层状纳米材料越来越浓的兴趣。由于有着有力的技术保障，二维纳米材料已经在过去的数十年间取得了长足的发展。二维纳米材料常常从大块的层状晶体中制取，如石墨或二硫属化物。这些固体包括由共价键结合的一层或多层的原子层，中间相距一个范德华距离。单层的材料可以通过多种方法制得，如机械剥离法，液体剥离法，或者是锂离子的嵌入/脱嵌。
当前商业化的锂离子电池主要是由正极、负极、电解质和隔膜四个部分组成。尽管锂离子电池具有很多的优点，却也具有明显的缺点。
（1）锂离子电池内部阻抗高。因为锂离子电池的电解质为有机溶剂，其电导率比镍镉电池、镍氢电池的水溶液电解液要低，所以，内部阻抗比镍镉、镍氢电池约大11倍。
（2）锂离子电池正极材料LiCoO2成本较高，成为限制电动车商用化的瓶颈。
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