基于第一性原理计算的F离子电池固态电解质BaSnF4的掺杂结构调控

作     者：熊铃铃 

作者单位：湘潭大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨振华

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：第一性原理计算 F离子固态电解质 BaSnF4 掺杂 

摘      要：BaSnF作为一种典型的F离子电池固态电解质材料因其具有特殊的层状结构、良好的室温离子电导率和力学性能等优点引起了研究者们的广泛关注。但BaSnF作为电解质时在室温下的离子电导率(10S/cm)仍低于实用标准(10S/cm),这限制了其在F离子电池中的应用。阳离子掺杂是提高材料离子电导率的一种有效方法,但实验存在随机性和复杂性的问题,并且阳离子掺杂BaSnF的机理也有待深入研究。因此,本文采用第一性原理计算方法从原子尺度上系统地研究了阳离子掺杂BaSnF的物理化学机制,具体内容如下:（1）Nd离子掺杂BaSnF的机理研究。首先,构建了BaNdSnF（x=0.02,0.0625,0.125,0.25）四种掺杂结构,对其进行形成能的计算和筛选可知以NdSn为Nd掺杂原料最容易合成BaNdSnF（x=0.02,0.0625,0.125,0.25）;而且BaNdSnF具有最优的韧性;通过计算BaNdSnF（x=0,0.0625,0.125,0.25）的F离子扩散势垒及其能带带隙,发现BaNdSnF不仅具有最低的扩散势垒,还兼具良好的电子绝缘性;接着进一步采用分子动力学方法（AIMD）研究了BaNdSnF的热稳定性及其F离子在不同温度时的扩散动力学性质,结果表明BaNdSnF不仅具有良好的热稳定性,且其F离子电导率随着温度的升高呈指数级增长;更重要的是,BaNdSnF在室温时（300K）的F离子电导率可达5.35×10S/cm,远高于BaSnF在室温时的F离子电导率(3.40×10S/cm);此外,BaNdSnF有着良好的电化学稳定性。（2）Gd离子掺杂BaSnF的机理研究。首先,通过计算Gd掺杂BaSnF的形成能可知,Gd Sn是一种最优的Gd源;而且在BaGdSnF（x=0.0625,0.125,0.25）中,BaGdSnF具有最佳的韧性和最低的F离子扩散势垒;然后对其进行AIMD计算分析,发现当温度为300 K时BaGdSnF具有比BaSnF更高的F离子电导率(4.03×10S/cm vs 3.40×10S/cm);此外,BaGdSnF具有较好的电化学稳定性。（3）Tb离子掺杂BaSnF的机理研究。首先,通过比较形成能发现以BaTb为原材料能将Tb元素更有效地引入BaSnF晶体中;Tb离子的引入有效提高了结构的B/G值,其中BaTbSnF具有最大的B/G值;对BaTbSnF（x=0.0625,0.125,0.25）进行电子结构及扩散势垒的分析从而筛选出最优掺杂结构为BaTbSnF;并且BaTbSnF具有良好的室温F离子电导率(4.37×10S/cm);同时,BaTbSnF在负极材料为Ba、Tb时具有稳定的电压平台。（4）Dy离子掺杂BaSnF的机理研究。首先,根据形成能的大小确定BaDy能为合成BaDySnF（x=0.0625,0.125,0.25）提供最优的Dy源;通过对其进行力学性能计算,发现BaDySnF具有最好的韧性;进一步比较BaDySnF（x=0.0625,0.125,0.25）的电子结构及F离子扩散势垒,确定最优Dy掺杂浓度为12.5%;同时,BaDySnF的室温F离子电导率优于BaSnF的室温F离子电导率(4.72×10S/cm vs 3.40×10S/cm);此外,BaDySnF还有良好的电化学稳定性。