【摘 要】
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由于锂资源的短缺和锂二次电池给环境带来的严重影响,钠离子电池重新受到研究者的关注。本文采用密度泛函理论方法,在Li2FeSiO4晶格结构的基础上,以Na替代Li,从能量、载流子
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由于锂资源的短缺和锂二次电池给环境带来的严重影响,钠离子电池重新受到研究者的关注。本文采用密度泛函理论方法,在Li2FeSiO4晶格结构的基础上,以Na替代Li,从能量、载流子输运和弹性性质方面开展Na2FeSiO4的电化学性能研究,获得主要结果如下:能量计算结果显示,Pbn21空间群构型比Pmn2I更为稳定。然而两种构型的声子谱均无虚频出现,暗示了其潜在类似Li2FeSiO4的多晶型特征。稳定构型Na+的脱嵌电压(Fe2+/Fe3+和Fe3+/Fe4+)分别为1.91V和4.47V,表明其在一般电解液中更易实现两个碱金属离子的脱出。利用CI-NEB方法研究离子输运行为,Pmn21构型中,钠离子具有二维可移动性,迁移势垒分别为0.36eV和0.67eV,Pbn21的势垒分别为0.44eV和0.54eV,均低于Li2FeSiO4,离子输运得到改善。电子态密度计算显示,Na2FeSiO4带隙为2.5eV,小于Li2FeSiO4,并且Na2FeSiO4自旋向上,向下轨道均呈现N型半导体特征,FeSiO4自旋向下轨道虽然呈现P型半导体特征,但自旋向上轨道具有半金属能带结构,电子可以自由穿越钠化—脱钠交界面,材料倍率性能得到改善。弹性性能计算,Na2FeSiO4的体积模量B(74.00GPa)与剪切模量G(29.31GPa)的比值B/G为2.52,大于延性—脆性判据临界值1.75以及Li2FeSiO4的2.12,材料的延展性增强。然而随离子的脱出,脱钠相FeSiO4的B/G降至1.02,材料发生延性到脆性的转变,充放电过程中可能发生与Li2MnSiO4相似的结构坍塌,循环稳定性较差。
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