钠离子电池铁基/锰基聚阴离子材料物理和电化学性质的第一性原理计算

作     者：郑美颖 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱梓忠

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：第一性原理 钠离子电池 聚阴离子化合物 氧化还原 电子结构 

摘      要：随着互联网、物联网、人工智能、智能城市、5G时代的到来,储能行业迎来了新一轮春天。尤其适用于大规模储能领域的钠离子电池,因资源极其丰富、价格低廉、且具有与锂离子电池相似的化学性质等优势,受到了科研人员的广泛关注。目前,二次电池市场上有LiFePO4作为高性能的锂离子电池正极材料,代替了传统的LiCoO2电池材料而被广泛商用于各大能源领域。同样地,作为磷酸根聚阴离子的钠的化合物,其通式为NaMPO4(M=Fe,Mn,Co,Ni等过渡金属元素),近年来也引起了科研人员的研究兴趣。本文将使用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对钠离子电池正极材料NaMPO4(M=Fe,Mn)进行理论计算,并进一步分析材料的物理和电化学性质等。主要的研究内容包括:第一部分中,在第一性原理计算和对Bader电荷分析的基础上,对NaFePO4在充放电过程中的氧化还原过程进行了分析。阴离子参与氧化还原过程有可能提供额外的理论容量,因此对氧化还原反应的研究具有重要意义。与LiFePO4不同,NaFePO4存在triphylite和maricite两种相。结果表明,两种NaFePO4相中均存在明显可见的阴离子氧化还原反应。此外,还计算和分析了两种材料在不同脱钠量情况下的电子分波态密度、材料体积和磁矩的变化、电荷密度图,用于帮助理解氧化还原反应的过程。第二部分中,对具有橄榄石型结构的NaMnPO4进行了第一性原理的计算。橄榄石型的NaMnPO4价格低廉、安全性好、绿色环保且具有一维的钠离子传输通道,也同样具备研究价值。论文的这部分详细分析了 NaMnPO4的晶体结构,并计算了橄榄石型NaMnPO4自旋极化的能带结构和电子态密度等,用于帮助从理论上理解该材料的物理和电化学特性。可以说明,材料中MnO6八面体畸变的产生是锰离子氧化还原过程中的Jahn-Teller效应引起的。此外,还计算了NaMnPO4和完全脱钠相MnPO4情况下材料的差分电荷密度和磁矩的变化,结果显示从NaMnPO4到MnPO4过程中磁矩呈下降趋势。