锂离子导体的第一性原理研究

发布时间：2020-05-02 21:06

【摘要】：固体电解质为可再生和绿色能源应用开辟了一条新途径。就固态电池和固体氧化物燃料电池(SOFC)而言,固体电解质可能是未来的领先技术。固体电解质材料对于开发安全和高性能的锂离子电池非常重要。它们在现代电化学储能技术中发挥着重要作用。有机液体电解质是易燃的并且电化学稳定性有待提高,因此可能被不可燃的固体电解质取代。尽管人们对固体电解质的兴趣日益增长,但在实现高离子电导率等方面仍存在许多挑战。在本论文中,我们使用基于密度泛函理论(DFT)从头算分子动力学(AIMD)模拟研究来预测锂离子电池和固体氧化物燃料电池的固态电解质的结构稳定性和离子电导率。论文的第一章主要集中在锂正极材料,负极材料和离子导体的背景上。本章概述了锂离子电池中基于DFT和AIMD模拟的一些阴极,阳极和离子导体的离子传输。第二章是关于方法论,即DFT和AIMD模拟。在第三章中,我们报道了最近合成的Li3OBr反尖晶石结构中的固有空位使得离子电导率相比反钙钛矿结构明显增强。反尖晶石Li3OBr的固有缺陷结构含有高浓度的八面体空位,同时具有高稳定性。从头算分子动力学模拟表明,拥有高浓度八面体空位的反尖晶石Li3OBr中的Li迁移率非常高(室温下为0.136mS/cm)。这种离子传导性增强机制提供了固体电解质材料设计的新途径。在第四章中,我们研究了一种有前景的固体电解质材料LiTa2PO8(LTPO),该材料已在实验中报道了高室温离子电导率(1.6 mS/cm)。为了理解其Li传输机理并找到其理论性能极限,我们使用密度泛函理论和从头算分子动力学模拟系统地研究了LTPO的性质。结果表明LTPO具有宽的电化学窗口。Ta,P和O在Li扩散期间是基本不动的,表明材料的高稳定性。Li离子扩散通道形成准2D蜂窝结构。理论模拟预言LTPO的固有离子电导率在室温下高达35.3mS/cm。扩散活化能非常低(0.16 eV),这与从势能面上的最小能量路径计算获得的低能垒一致。这些结果鼓励对这种有希望的超离子固态电解质材料的进一步实验研究。在第五章中,我们讨论了 Na+和O2-在Na掺杂SrSiO3中对高导电率的作用的研究。关于碱金属掺杂的硅酸锶Sr3-3xNa3xSi3O9-1.5x(x=0.45)(SNS)中高O2-离子电导率的起源仍然存在争议。因此,进行AIMD模拟以研究Na+和02-动力学以及Na+对Na掺杂的SrSiO3中的电导率的影响。我们的AIMD模拟显示,完美的SrSi03是绝缘体,而SNS表现出高离子电导率(2.5×10-2 S/cm),具有低活化能(0.37 eV)。我们的研究表明Na+是优异的高离子传导性的促进剂,而O2-局域在它们的晶格平衡位置。这项工作揭示了 Na+在SNS离子传导性中的作用。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM91

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