【摘 要】
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钠快离子型导体（Na-superionic conductor,简称NASCION）结构的磷酸钒钠（Na3V2（PO4）3,简称NVP）,不仅具有三维的钠离子传输通道和理论可逆比容量达117 m Ah g-1及其可在3.4 V（vs.Na+/Na）的电压平台下发生两个钠离子脱嵌,而且其结构稳定以及具有较好的循环性能。因此,在各种二次电池中受到了广泛的应用。本文使用第一性原理中DFT+U方法通过软件
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钠快离子型导体（Na-superionic conductor,简称NASCION）结构的磷酸钒钠（Na3V2（PO4）3,简称NVP）,不仅具有三维的钠离子传输通道和理论可逆比容量达117 m Ah g-1及其可在3.4 V（vs.Na+/Na）的电压平台下发生两个钠离子脱嵌,而且其结构稳定以及具有较好的循环性能。因此,在各种二次电池中受到了广泛的应用。本文使用第一性原理中DFT+U方法通过软件VASP计算Na3V2（PO4）3材料和磷酸钛钠（Na Ti2（PO4）3,简称NTP）。主要的研究内容与计算结果如下:首先通过计算Na3V2（PO4）3的脱钠机理。结果表明:Na3V2（PO4）3具有良好的结构稳定性,能够支撑长时间充放电。验证了Na3V2（PO4）3体系结构脱嵌机理与实验结果符合。NaxV2（PO4）3（x=0,1,2,3）的态密度主要由V-3d态和O-2p态组成,而带隙随着钠的脱出而减小,表明随着Na离子的脱出提高其电子导电性,有助于增强电极材料的倍率性能。Na+分别在Na3V2（PO4）3中以Na2-Na2和Na2-Na1（Na2为Na+占据的18e位,Na1为Na+占据的6b位）迁移路径对应的迁移能垒的结果分别为0.490 e V和0.546 e V,表明钠离子的传输更倾向于Na2-Na2的迁移方式。其次通过计算不同浓度的Ti、Fe掺杂Na3V2（PO4）3的电子结构和钠离子迁移能垒变化。结果表明:Ti、Fe掺杂均使Na3V2（PO4）3的带隙降低,即掺杂明显提高电子电导率。其中Na3V1.5Ti0.5（PO4）3和Na3V1.5Fe0.5（PO4）3掺杂体系拥有最小的带隙值分别为0.39 e V和0.65 e V,即最佳掺杂浓度均为0.5。掺杂后的钠离子扩散间距的缩短和局部结构变化导致增大扩散通道,迁移能垒降低,提高Na+扩散速率。Na+在Na3V1.5Ti0.5（PO4）3中以Na2-Na2和Na2-Na1两条迁移路径对应迁移能垒的计算结果分别为0.329 e V和0.436 e V,而Na+在Na3V1.5Fe0.5（PO4）3中以Na2-Na2和Na2-Na1两条迁移路径对应的迁移能垒的计算结果分别为0.350 e V和0.493 e V。最后计算分析NVP||NTP模型的电子结构和钠离子迁移能垒。结果表明:其结构提高了导电能力。且Na+在NVP||NTP中以Na2-Na2和Na2-Na1两条迁移路径对应的迁移能垒的计算结果分别为0.269 e V和0.357 e V,表明了相比于过渡金属掺杂,NVP||NTP模型中钠离子迁移速率更快。综上所述,通过研究并分析Na3V2（PO4）3在脱钠过程中的微观结构和电子结构演变过程,Na3V2（PO4）3拥有优秀的结构稳定性以及明确钠离子传输机制,并通过掺杂手段可以有效的改变Na3V2（PO4）3的电子导电性和降低钠离子迁移能垒,为Na3V2（PO4）3实验领域有关掺杂元素和掺杂比例等方面提供了有效的理论基础。
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