【摘 要】
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锌在地壳中储量极大,并且锌的价格低,不产生污染。此外,锌还可以作为水系锌离子电池的负极,使电池足够安全。这就引起了系能源电池相关人员的广泛关注。但是,由于正极材料性能的匮乏,急需研制出一种新型正极材料。δ-MnO2具有极大的层间距,这有利于离子在层间的快速嵌入/脱嵌,具有优秀的快速充放电性能。氧空位可以提高电池电化学性能。因此,含有氧空位的δ-MnO2材料的扩散吸附性能以及电化学性能成了研究重点。
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锌在地壳中储量极大,并且锌的价格低,不产生污染。此外,锌还可以作为水系锌离子电池的负极,使电池足够安全。这就引起了系能源电池相关人员的广泛关注。但是,由于正极材料性能的匮乏,急需研制出一种新型正极材料。δ-MnO2具有极大的层间距,这有利于离子在层间的快速嵌入/脱嵌,具有优秀的快速充放电性能。氧空位可以提高电池电化学性能。因此,含有氧空位的δ-MnO2材料的扩散吸附性能以及电化学性能成了研究重点。本文使用了基于密度泛函理论的第一性原理方法,通过计算模拟δ-MnO2-x材料在作为水系锌锰电池正极时的性能和充放电机理。根据先前的文献,在充放电过程中δ-MnO2-x存在着三种可能的机制,Zn嵌入机制,化学转化机制,H+/Zn2+共嵌入机制。为了对δ-MnO2-x的充放电机理进行更深入的了解,并且了解氧缺陷对δ-MnO2-x电化学性能的影响,文章中主要进行了δ-MnO2-x的几何结构,δ-MnO2-x的嵌入Zn过程以及电子性质,δ-MnO2-x的嵌入H过程以及嵌入后的电子性质与氧空位对近距离Zn与H嵌入与扩散的影响的计算。最终得到以下结论:氧缺陷的引入使原本是呈现半导体性质的δ-MnO2具有了一定金属的性质,能量间隙只有0.3 e V,氧空位的引入可以提高体系导电性。在吸附锌之后。能量间隙消失。可见吸附锌也可以提高整体的导电性。锌在含有氧空位的δ-MnO2-x扩散能垒为1.6 e V低于不含氧空位的1.68 e V,说明氧空位的引入可以提高锌的扩散速率。理论比储锌容量从最大的609.1 m Ahg-1扩大到623.2 m Ahg-1,说明加入氧空位后理论比储锌容量提升。最终放电电压都在1V左右,证明氧空位对最终电压没有太大影响。当锌靠近氧空位时,吸附能为-0.943 e V,更加容易发生脱嵌。氧空位浓度缩小为1/32时,吸附能最高达到-2.39 e V,吸附更稳定。含有氧空位的δ-MnO2-x在吸附氢后,能量间隙同样消失,说明氢的加入会提高导电性。氢在含有氧空位的δ-MnO2-x的扩散能垒最低也达到了20.3 e V。证明氧空位的加入对氢的扩散没有影响。当氢嵌入时与氧形成氢氧键使整个体系转变为MnOOH。且氢的平均吸附能高于锌的平均吸附能。故在电池充放电时,首先时氢嵌入的相变反应然后是锌的嵌入。当靠近氧空位的氢发生反应时吸附能减小了0.63 e V。证明距离氧空位越近吸附能越小,更容易嵌入和脱嵌。当氧空位占比减小时,氢在有些位点时结构发生转变,使反应无法继续进行。另外位点的氢游离于层间,并未继续发生MnOOH的转变。
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