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锂离子电池负极材料储锂机制的第一性原理研究

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锂离子电池负极材料储锂机制的第一性原理研究

作者：郭根材湘潭大学

学位级别：硕士

锂离子电池（LIBs）因为其高可逆容量、高能量密度和很好的循环性能已被广泛用于各种便携式电子设备和电动设备。随着经济社会的发展,便携式设备长待机时间和动力设备的大容量需求对锂离子电池的功率、能量密度和充放电速率等性能的实... 详细信息

锂离子电池（LIBs）因为其高可逆容量、高能量密度和很好的循环性能已被广泛用于各种便携式电子设备和电动设备。随着经济社会的发展,便携式设备长待机时间和动力设备的大容量需求对锂离子电池的功率、能量密度和充放电速率等性能的实际要求越来越高。目前广泛用于负极的石墨碳基材料由于理论容量较低、倍率性能较差,已经成为制约锂离子电池整体性能的瓶颈,发展新型高效负极材料成为了促进锂离子电池技术快速发展的关键。超薄二维纳米结构由于自身的柔韧性、高表面积及超短离子传输距离,已成为构造高性能电极材料最佳选择。最近,由类石墨材料黑磷剥离出的单层超薄二维结构磷烯,由于其适当的带隙宽度（0.5 eV.5 eV）和非常高的载流子迁移率（5000 cm-1V-1s-1）,有望成为新型高效锂离子电池电极的备选材料,吸引了众多研究者的关注。本文系统研究了磷烯及其异质结构充放电过程中的结构相变特征、锂离子的迁移和扩散规律以及嵌锂和脱锂机制,分析了缺陷和异质结构对其容量、导电性能、以及循环性能的改善作用,以期为锂离子电池电极材料的设计与优化提供理论指导。主要研究内容如下:1、磷烯中锂离子的扩散规律研究。为了研究磷烯材料用于锂离子电池负极材料的可行性,同时考虑到材料制备中可能出现的材料缺陷问题,系统的研究了锂离子在晶体和空位缺陷磷烯中的吸附及扩散性质。研究发现晶体磷烯具有较高的嵌锂容量（432.79 mAhg-1）、非常快的锂离子槽内扩散速率（Eb=0.09 eV）、充放电时体积改变小等优点。对缺陷磷烯的研究发现,相比于晶体磷烯而言,其电化学性能得到了极大的改善。锂在缺陷磷烯空位附近的结合能比在晶体磷烯中增加了大约1 eV。此外,空位的引进打开了一个新奇的槽间扩散通道,其扩散势垒仅为0.13 eV,这将显著的改善电池的快速充放电能力。2、磷烯/石墨烯异质结构的锂电性能研究。针对导电性差,比容量不足等二维负极材料中广泛存在的问题,系统的研究了磷烯-石墨烯异质结构对单层磷烯电化学性质的改善作用。计算结果表明磷烯-石墨烯异质结不但能够保持在单层中快的锂离子扩散速率,还能显著的提高锂离子的吸附稳定性。另外,对磷烯-石墨烯异质结与单层晶体磷烯的能带结构对比发现,磷烯-石墨烯异质结构的导电性（Eg=0.03 eV）也得到了较大的改善。此外,磷烯-石墨烯异质结展现出了超高的刚度（Cac=350 N/m,Czz=464 N/m）,这能够有效的避免在脱、嵌锂过程中导致的电极变形,从而提高电池的循环性能。

关键词：第一性原理磷烯负极空位磷烯-石墨烯异质结充放电性能

基于备选列车接续的周期性列车运行图编制模型研究

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铁道学报 2016年第8期38卷 8-15页

作者：郭根材聂磊佟璐贺振欢北京交通大学交通运输学院北京100044 中国铁道科学研究院电子计算技术研究所北京100081

传统的周期性列车运行图编制模型(Cycle Periodicity Formulation,CPF)中有明确的接续约束。我国高速铁路列车运行图尚未采用周期性列车运行图,更未形成一套明确的列车接续关系,编制周期性列车运行图只能基于备选列车接续进行,求解过程... 详细信息

传统的周期性列车运行图编制模型(Cycle Periodicity Formulation,CPF)中有明确的接续约束。我国高速铁路列车运行图尚未采用周期性列车运行图,更未形成一套明确的列车接续关系,编制周期性列车运行图只能基于备选列车接续进行,求解过程中不同列车接续组合使描述CPF模型的约束图具有不同的结构,导致模型需要不断重构,且换乘客流的接续服务缺乏保障。针对上述问题,本文从决策变量、目标函数、约束条件等方面改进了CPF模型,建立了适合备选列车接续的周期性列车运行图编制模型(Potential Connections&Cycle Periodicity Formulation,PCCPF),提出分类整数圈基避免列车接续调整时模型重构,引入"二次列车接续"变量保证两次换乘客流的接续服务需求;以约8 700km的我国高速铁路网进行案例研究,验证了模型的有效性。

关键词：周期性列车运行图列车接续备选集圈周期规划分类整数圈基

直达与换乘相结合的旅客行程规划模型与算法研究

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铁道运输与经济 2019年第7期41卷 106-112页

作者：郭根材张军锋中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所

旅客行程规划是铁路客运服务的重要内容,高效的行程规划算法可以为旅客提供高质量的客运服务信息,设计旅客在枢纽换乘可以提高客流OD的服务频率或减少旅行时间。在阐述直达与换乘相组合行程规划模式的基础上,根据列车时刻表设计带时间... 详细信息

旅客行程规划是铁路客运服务的重要内容,高效的行程规划算法可以为旅客提供高质量的客运服务信息,设计旅客在枢纽换乘可以提高客流OD的服务频率或减少旅行时间。在阐述直达与换乘相组合行程规划模式的基础上,根据列车时刻表设计带时间信息的列车服务网,建立包含意愿出发时间与到达时间的旅客行程规划模型,并利用帕累托最优原理,设计直达与换乘相组合的行程规划搜索算法。以我国高速铁路2017年7月的列车时刻表为例,利用旅客行程方案搜索算法计算,结果表明规划直达与换乘相组合的行程方案可以大幅提升客流OD服务频率。

关键词：旅客行程规划列车服务网换乘行程规划模型帕累托最优

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高速铁路枢纽衔接服务水平评价体系

铁道运输与经济 2014年第1期36卷 42-47,59页

作者：李金梅聂磊郭根材佟璐北京交通大学交通运输学院北京100044

从枢纽自身条件、列车开行特性和旅客出行特点3方面分析枢纽衔接服务水平影响因素,并建立枢纽衔接服务水平评价体系。在设定枢纽自身条件评价指标、列车开行特性评价指标和旅客出行效用评价指标的基础上,采用解释结构模型,基于布尔代数... 详细信息

从枢纽自身条件、列车开行特性和旅客出行特点3方面分析枢纽衔接服务水平影响因素,并建立枢纽衔接服务水平评价体系。在设定枢纽自身条件评价指标、列车开行特性评价指标和旅客出行效用评价指标的基础上,采用解释结构模型,基于布尔代数运算规则,建立影响因素之间的层次递阶结构,并分析其相关性,为协调路网衔接服务提供参考。

关键词：高速铁路枢纽衔接服务解释结构模型评价体系

基于铁路出行数据的旅客常住地智能识别算法研究

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铁路计算机应用 2018年第11期27卷 40-42页

作者：郭根材中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所北京100081

常住地是判断旅客消费能力与收入水平的重要因素,利于根据旅客常住地进行个性化产品推荐。针对铁路客票发售与预订系统的海量出行数据,依据逻辑判断与概率计算设计了铁路旅客常住地智能识别算法;最后利用Scala语言在铁路客运大数据平台... 详细信息

常住地是判断旅客消费能力与收入水平的重要因素,利于根据旅客常住地进行个性化产品推荐。针对铁路客票发售与预订系统的海量出行数据,依据逻辑判断与概率计算设计了铁路旅客常住地智能识别算法;最后利用Scala语言在铁路客运大数据平台上实现算法,并针对最近两年铁路旅客出行数据进行案例验证,结论表明:该算法有效,旅客常住地信息的识别率为67.7%。

关键词：铁路出行数据大数据技术常住地智能识别算法

基于欧洲列车时刻表的高速铁路列车衔接方案探讨

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北京交通大学学报 2012年第6期36卷 21-26页

作者：郭根材聂磊贺振欢付慧伶冷暖暖北京交通大学交通运输学院北京100044

随着高速铁路的快速成网,铁路换乘客流将明显增加,提高换乘组织效率是高速铁路客流组织亟待解决的关键问题之一.基于欧洲列车时刻表、路网结构数据,本文系统分析了欧洲铁路旅客换乘组织的成功经验.定量分析了放射路网、网状路网两种典... 详细信息

随着高速铁路的快速成网,铁路换乘客流将明显增加,提高换乘组织效率是高速铁路客流组织亟待解决的关键问题之一.基于欧洲列车时刻表、路网结构数据,本文系统分析了欧洲铁路旅客换乘组织的成功经验.定量分析了放射路网、网状路网两种典型路网的铁路运输组织模式及列车衔接方案特点,归纳出换乘节点主要衔接组织方式及适用条件.最后,根据我国高速铁路网结构,给出欧洲经验对我国高速铁路列车衔接方案编制的一些启示.

关键词：高速铁路列车衔接方案欧洲列车时刻表周期性列车开行方案

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后奥运时期北京市交通需求管理分析

交通标准化 2010年第9期38卷 131-133页

作者：郭根材北京交通大学交通运输学院北京100044

通过阐述交通需求管理的内涵以及基本思想,分析奥运期间主要运用的交通需求管理措施,并提出后奥运时期应采用交通需求管理与公共交通同步建设的方法来促使居民出行由私人交通改为公共交通,以缓解城市交通拥堵问题。

关键词：交通需求管理后奥运时期公共交通

铁电层厚度对（BiCoO3）n/(La2/3Sr1/3MnO3)1超晶格磁电性质的影响

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原子与分子物理学报 2019年第5期36卷 866-872页

作者：张威张铭郭根材明帮铭北京工业大学材料科学与工程学院

本文利用第一性原理,对由四方相BiCoO3(BCO)和La2/3Sr1/3MnO3(LSMO)所构造的超晶格的形成能、电子结构与磁电性质进行了系统研究.研究表明,超晶格中BCO层厚度变化可对超晶格的电子结构,及其极化位移与自旋极化率等磁电性质产生重要影响... 详细信息

本文利用第一性原理,对由四方相BiCoO3(BCO)和La2/3Sr1/3MnO3(LSMO)所构造的超晶格的形成能、电子结构与磁电性质进行了系统研究.研究表明,超晶格中BCO层厚度变化可对超晶格的电子结构,及其极化位移与自旋极化率等磁电性质产生重要影响.特别的,在BiO/MnBO2为界面构型的超晶格中,当BCO侧为一个单胞层时,超晶格表现出半金属性,可获得100%自旋极化率.上述研究结果对于新型自旋电子器件研究具有一定科学意义.

关键词：多铁材料磁电性质超晶格第一性原理计算

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高速铁路车站作业妨碍分析与能力利用率计算

铁道运输与经济 2022年第8期44卷 45-51页

作者：郭根材张军锋潘跃李天翼中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所北京100081

作业妨碍是影响车站能力利用效率的重要因素,准确计算分析高速铁路车站作业妨碍程度与能力利用率对调整列车经由、合理设置停站具有重要意义。从站场布置形式、车站间隔时间、作业类型及构成等方面综合分析了高速铁路车站作业妨碍的主... 详细信息

作业妨碍是影响车站能力利用效率的重要因素,准确计算分析高速铁路车站作业妨碍程度与能力利用率对调整列车经由、合理设置停站具有重要意义。从站场布置形式、车站间隔时间、作业类型及构成等方面综合分析了高速铁路车站作业妨碍的主要影响因素,提出车站作业妨碍可以分为接发列车间的作业妨碍、接发列车与出入库间的作业妨碍2类;结合计算机仿真构建了车站作业妨碍时长判别计算流程;综合考虑高速铁路车站接发车作业过程与理想接发车作业时间,优化提出包含作业妨碍时间的高速铁路车站通过能力利用率计算方法;以上海虹桥站为例,分析了其高速场作业妨碍特征与能力利用率,并从车站作业组织、动车组交路等角度提出优化其能力利用的建议。

关键词：高速铁路车站上海虹桥站作业妨碍计算流程能力利用率