固态电解质LiPON与负极材料相关特性的分子动力学研究

作     者：崔建文 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴顺情

授予年度：2020年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：固态电解质LiPON 非晶SiOy负极材料 界面性质 结构演化 Li+扩散性质 

摘      要：作为一种高效且环境友好的现代化储能设备,锂离子电池已在许多领域中发挥着重要作用。然而,传统锂离子电池仍有待于进一步发展。一方面是由于传统电极材料的理论比容量较低,无法满足未来对于高容量锂离子电池的需求;另一方面由于传统电解液具有易燃易泄露的风险,导致锂离子电池存在安全隐患。近年来,全固态锂离子电池因其高安全性、高能量密度、简单的电池结构等优势成为研究热点。然而电极与电解质的固固界面问题严重影响电池性能,从而受到广泛关注。此外,寻找除锂负极以外与固态电解质相匹配的高容量负极材料也是备受关注的重要课题。本文针对上述问题,对高容量非晶态氧化硅(a-SiOy)负极材料,以及LiPON固态电解质的界面问题做了如下研究:1、利用反应分子动力学(ReaxFF MD)研究不同O含量的a-SiOy(y=0,0.5,1)在嵌锂过程中的结构演化、体积膨胀、Li+扩散性质。结果表明,对于Si较多的a-SiOy体系,在嵌锂过程中富硅局域结构更容易被分解;对于O较多的a-SiOy体系,在嵌锂过程中富氧局域结构更容易被分解。并且O含量对a-SiOy负极材料嵌锂过程中的体积膨胀有重要影响,O含量越大,体积膨胀越小,但随着0含量增大,其对体积膨胀的减缓作用逐渐变弱。此外,关于扩散性质的研究表明,a-LixSiOy体系中Li+的扩散性质与Li含量和O含量有关,Li含量越大,Li+扩散越快,扩散势垒越小;O含量越大,Li+扩散越慢,扩散势垒越大。2、利用从头算分子动力学(AIMD)构建了a-LiPON/Li(100)界面和Li2PO2N(100)/Li(100)界面。研究发现原始界面会发生原子互扩散,形成的有限厚度的薄界面层。界面层和LiPON体相结构的局域结构统计表明,界面层以Li为中心原子的Li[O2N2]、Li[O3N]、Li[O4]四面体结构占比明显减少,并且界面层Li-O、Li-N、P-O和P-N的平均配位数均有所减小。由于界面层结构和配位数的变化使得Li受到O、N的离子键作用更弱,Li+扩散过程中受到的阻碍更小。相比于体相LiPON电解质,界面层的Li+电导率更高2到3个数量级。