Li2Sx在过渡金属Nb和Zr掺杂TiN(001)表面吸附行为第一性原理研究

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锂硫电池其能量密度的估计值为2600Wh·kg-1,最高比容量1675mAh·g-1。含S的原材料对环境的污染小且获得成本不高,这就使“锂硫电池”变成了十分有发展空间的储能系统。但是,锂硫电池中存在的问题,如金属负极安全问题,锂硫电池体积膨胀问题,穿梭效应以及活性物质S和放电产物导电性差导致利用率比较低等,阻止了“锂硫电池”的进一步商业化发展。目前受研究者关注的方法是:改变隔膜的选材,并且此种方法成功可能性较大。选用过渡金属氮化物TiN作为Li2Sx的锚定材料,采用第一性原理的方法,分别计算多硫化锂Li2Sx(x=1-8)在TiN(001)表面四种位置:N原子顶位、Ti原子顶位、N-Ti桥位、N-Ti芯位的稳定吸附构型、吸附能量、电荷转移(Bader)及分波态密度(PDOS)等。结果表明TiN(001)表面对短链多硫化锂Li2Sx(x=1-4)有着较强的吸附作用(最大吸附能2.739eV),既可以对其有效地抑制多硫化锂放电过程的溶出,较少的活性物质流失在正负极区域内电解液中,又不会因为过度吸附而阻碍电化学反应的继续进行。计算发现TiN对长链的多硫化锂Li2Sx(x=5-8)的吸附能也较高(最大吸附能3.957eV),不仅对多硫化锂有着吸附限域作用。同时TiN(001)表面对长链的多硫化锂Li2Sx(x=5-8)的分解有一定的催化作用。在TiN(001)表面OT-N吸附位置长链的多硫化锂Li2S7被分解为短链的多硫化锂Li2S4,在抑制穿梭效应的同时,降低活性物Li和S的损耗。为改善TiN表面对多硫化锂的吸附与解离作用对其进行表面改性。选取了对TiN(001)表面中裸露的Ti原子分别置换掺杂Nb原子和Zr原子,获取稳定掺杂表面结构。并对多硫化锂在掺杂TiN(001)表面的四种位置(OT-N、OT-Ti、BRN-Ti、HLN-Ti)的吸附演变构型及其能量进行计算与分析。结果表明,对于短链的多硫化锂的能量比较为TiN纯净<TiNNb<TiNZr。对于长链的多硫化锂展现出掺杂TiN吸附多硫化锂略强于纯净TiN的吸附能量,而且吸附稳定演变构型显示出强于纯净TiN对长链多硫化锂的催化解离作用。在Zr掺杂TiN(001)表面BR吸附位置长链的多硫化锂Li2S7被完全分解为短链的多硫化锂Li2S4。Nb原子和Zr原子的掺杂改善了TiN对多硫化锂的束缚强度与催化性能。
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