鎂電池電極材料第一性原理研究.pdf

1、鎂元素是目前地球上儲(chǔ)量最豐富的輕金屬元素之一，由于其良好的物理化學(xué)，機(jī)械等性能，使其逐漸走上科研熱點(diǎn)的位置，其比剛度和比強(qiáng)度高，切削加工性能很好和鑄造性能好，以及符合當(dāng)下循環(huán)利用性良好，能源再利用的主題，在汽車行業(yè)、自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)以及電子產(chǎn)品等方面有著廣泛的應(yīng)用，繼鋰電池、鈉電池之后，鎂電池由于其儲(chǔ)量豐富與攜帶電荷數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為了新能源研究的重點(diǎn)，緊緊的扣住了時(shí)代潮流中綠色環(huán)保節(jié)能的主題，其工業(yè)應(yīng)用在世界范圍內(nèi)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，所

2、以目前科研人員對(duì)于鎂電池材料的研究也越來(lái)越廣泛。
　　本文運(yùn)用了第一性原理計(jì)算的方法研究了磷做鎂電池負(fù)極材料的性能和鎂電池穩(wěn)定性的研究，對(duì)于鎂電池負(fù)極材料，磷鎂化合物結(jié)構(gòu)中最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是Mg3P2，次穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是Mg4P3和Mg2P，但體積膨脹率Mg4P3最小在232％左右，Mg2P結(jié)構(gòu)的為304%，均介于鋰電池和鈉電池之間。且原子嵌入平均電壓為0.68V和0.77V，這與已經(jīng)驗(yàn)證的黑磷中嵌鋰結(jié)構(gòu)的平均電壓0.85V很接近。結(jié)果表明化

3、合物中的結(jié)構(gòu)均屬于類似層狀的結(jié)構(gòu)，由于黑磷屬于褶皺層狀材料，其層間通道足夠大，所以我們進(jìn)一步對(duì)層狀黑磷做負(fù)極進(jìn)行針對(duì)性研究，對(duì)二維層狀黑磷通過(guò)計(jì)算確定的最穩(wěn)定的嵌鎂原子個(gè)數(shù)為4個(gè)即Mg0.11P0.89結(jié)構(gòu)，且嵌入原子要均勻的分布在層間間隙位置，其需要克服能壘最低的擴(kuò)散通道為平行于單層黑磷褶皺方向的路徑，能壘為2.63eV。
　　對(duì)于做電池材料，穩(wěn)定性是必須要考慮的問(wèn)題，所以對(duì)于電池中的純鎂電極，研究了嵌入原子對(duì)鎂金屬材料的穩(wěn)定性

4、性能的影響，環(huán)境中常見的元素氫、氧和氮對(duì)鎂中常見孿晶(10-11)、(10-12)、和(10-13)孿晶的影響。確定了氫、氧、氮原子嵌入在孿晶中形成能最低、最穩(wěn)定的固溶位置。對(duì)于(10-11)、(10-12)、和(10-13)鎂孿晶，其最穩(wěn)定的固溶位置為孿晶界上的高對(duì)稱位置或?qū)\晶界附近的八面體間隙中，而對(duì)于其中的(10-13)孿晶，固溶原子嵌入后對(duì)晶體結(jié)構(gòu)影響較大，使晶格發(fā)生畸變。電子分布函數(shù)和電子態(tài)密度的計(jì)算結(jié)果表明，三種固溶元素與鎂