【摘 要】
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全固态锂硫电池以其极高的理论容量、低廉的成本以及对环境友好等特点,被视为未来最理想的电池技术之一。超离子导体Li10Ge P2S12(LGPS)因为其高达12 m S/cm的Li+电导率而成为备选的固态电解质材料。但Ge元素昂贵的价格和稀少的产量限制了LGPS的应用。Li10Sn P2S12(LSPS)因为具有和LGPS类似的化学和电化学稳定性以及更低的成本,而被视为LGPS的替代材料之一。目前对
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全固态锂硫电池以其极高的理论容量、低廉的成本以及对环境友好等特点,被视为未来最理想的电池技术之一。超离子导体Li10Ge P2S12(LGPS)因为其高达12 m S/cm的Li+电导率而成为备选的固态电解质材料。但Ge元素昂贵的价格和稀少的产量限制了LGPS的应用。Li10Sn P2S12(LSPS)因为具有和LGPS类似的化学和电化学稳定性以及更低的成本,而被视为LGPS的替代材料之一。目前对于LSPS在锂硫电池方面的应用及研究主要集中在LSPS在电池中的结构特性、电化学性能及界面调控等方面,但对于LSPS的表面性质、界面性质以及Li+在界面处的输运机理等问题仍有待讨论。为此,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究LSPS体相的电子性质、LSPS表面结构和稳定性以及LSPS与金属Li负极的异质界面结构与性质,为LSPS作为固态电解质提供理论依据和帮助。本文的主要结果如下:1)LSPS体相的能带结构计算表明LSPS是间接带隙为3.10 e V的半导体,S原子对费米能级处的价带做出最大贡献。通过计算Bader电荷可知,LSPS中的Li主要以Li+0.86形式存在。2)探讨LSPS(001)表面的结构和稳定性。通过构建4种LSPS(001)表面模型,进行表面自由能的计算,发现以PS2为终端面的LSPS(001)表面模型最稳定。该模型上表面的两个S原子因为其原属的四面体结构被破坏,因此相互成键,从而使上表面趋于稳定。最终以此模型为基础研究LSPS与金属Li的异质界面。3)研究LSPS(001)/Li(100)异质界面的结构及电子性质。首先构建了合理的LSPS(001)/Li(100)异质界面模型,该界面结构的失配度为0.67%,3.67 J/m~2的界面粘附功证实了界面非常稳定;之后计算该界面的电子结构,可知界面形成时金属Li负极一侧的电子向LSPS转移,但并未深入LSPS内部,电子转移只停留在LSPS表层;最后计算界面的p型肖托基势垒高度为2.68 e V,说明LSPS/Li界面的形成阻隔电子的转移。4)通过第一性原理分子动力学模拟LSPS/Li异质界面结构在设定温度下的动力学演变过程。首先发现界面区域的Li+与该区域的P、S原子发生互扩散,最终P、S原子深入金属Li负极内,而LSPS连接Li的一端表现为富Li+。然后计算LSPS/Li界面结构的Li+的扩散系数和电导率,证明该界面的形成有利于Li+的传导。最后分析300K下的LSPS/Li界面结构,结果表明固态电解质LSPS非常稳定,但表层的S、P原子没有四面体结构的束缚,发生长程扩散,深入到金属Li负极内部,导致负极结构的破坏,这就是全固态锂硫电池中LSPS表面不稳定的原因。
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