缺陷对固体电解质离子扩散影响的计算研究

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固体电解质作为固态电池的重要组成部分,与液态电解质相比有很多优点,因此对其进行研究具有重要意义。而缺陷是固体材料制备中普遍存在的一个现象,且对固体电解质的离子电导率的具有重要的影响。固体电解质离子电导率与离子的扩散有关,本文通过计算研究缺陷对其离子扩散的影响来研究缺陷对其电导率的影响。通过第一性原理计算研究了,在钠离子固体电解质—立方相Na3SbS4(c-Na3SbS4)中,间隙原子缺陷对其钠离子扩散的影响。计算结果表明钠离子间隙能有效的提高钠离子扩散系数,并使钠离子的室温电导率提高大约两个数量级。本文还研究了掺杂四价离子(Si4+、Ge4+、Sn4+)引起具有间隙原子点缺陷的结构。通过对掺杂形成能的计算,理论上表明掺杂结构可以在实际实验上合成。通过对其钠离子扩散的计算,结果表明掺杂使钠离子扩散加速,从而使钠离子电导率提高。并且不同的元素掺杂对其作用效果也不相同,掺杂浓度为0.0625时,Sn4+掺杂对其作用效果最大,其室温电导率能达45 mS/cm。同时通过研究不同Si4+掺杂浓度的影响发现,掺杂浓度越高,室温离子电导率越大。通过第一性原理计算研究了空位缺陷对c-Na3SbS4中钠离子扩散的影响。钠离子空位有利于钠离子的扩散,且空位浓度越大越有利于其扩散。通过研究卤素离子(F-、Cl-、Br-、I-)掺杂导致的钠离子空位结构,发现掺杂卤素离子有利于钠离子的扩散,其中Cl-掺杂对其影响最大。且通过对卤素掺杂结构形成能的计算发现其形成能比较低,可在实验上合成。通过分子动力学方法模拟了晶界对氧离子固体电解质CeO2中氧离子扩散的影响。计算结果表明晶界处氧离子扩散系数要比完美晶体中高两个数量级,这说明晶界在CeO2中可以作为氧离子扩散的管通道。同时还研究了CeO2多晶中氧离子的扩散,发现多晶中氧离子的扩散系数也比完美晶体中高的多。并且晶粒尺寸越小,氧离子扩散系数越大。
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