过渡金属卤化锂与锂负极间稳定界面中离子输运行为的第一性原理研究

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锂金属用作负极材料受到了人们广泛重视,科学研究已经证实了固体电解质界面材料(SEI)的特性直接影响到了锂金属负极的特性。锂枝晶生长是影响固态锂电池性能、寿命和安全性的关键问题。近年来,研究者发现过渡金属卤化锂具有较高的离子电导率,与空气有良好的稳定性,能够成为固态电解质材料。研究过渡金属卤化锂各项性质,全面分析其优劣势,寻找能够更好抑制锂枝晶生长的固态电解质材料。论文中采用基于密度泛函理论的第一性原理,研究了过渡金属卤化锂固体电解质材料(Li3In Cl6,Li3Sc Cl6和Li3Er Br6)。优化了其体相及表面结构,并分析了固态电解质的力学特征、机械特性、输运特征、表面特征及界面特征,计算了力学常数、理想强度、表面能、吸附能以及采用弹性能带(NEB)方法模拟了锂离子在体相、表面和界面中的扩散输运行为。研究表明,Li3In Cl6,Li3Sc Cl6和Li3Er Br6的体积与剪切模量的比值均大于1.75,说明这三种材料具有延展性,这有利于电池的制造和操作。Li3Sc Cl6的力学性能要好于另外两种材料,Li3Sc Cl6的剪切模量(7.568GPa)达到三者最高,更有利于抑制锂枝晶的生长。Li3Sc Cl6的机械强度也要高于另外两种材料,拉伸应力值为3.0885GPa。在体相结构中,Li3Sc Cl6沿O-T-O通道的迁移能垒要小于另外两种。机械强度下,三种材料的迁移能垒都发生不同程度的变化,表明晶格畸变会对锂离子的输运产生影响。通过对过渡金属卤化锂(001)表面的表面能计算,得到稳定的表面模型,用于表面吸附、迁移以及与锂负极形成稳定的界面模型。锂在Li3Er Br6(001)表面和Li3Sc Cl6(001)表面的最佳迁移路径都是由芯位向另一芯位扩散。且迁移激活能较低,有利于锂离子均匀沉积。Li3Er Br6/Li的最优界面间距为2.5(?)左右,Li3Sc Cl6/Li的最优界面间距为2.4(?)左右。锂离子在界面中的迁移激活能较低,有利于锂离子的均匀扩散,减少锂枝晶生长。界面的机械强度相较于体相结构有所增强。综上所述,Li3Sc Cl6的力学性能和机械强度好于另外两种材料,能够更好地抑制枝晶的生长,且存在良好的离子扩散通道。锂离子在Li3Er Br6和Li3Sc Cl6表面和界面中扩散需要较低的迁移激活能,有助于调控锂的均匀沉积。
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