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新型能源材料碱土金属富氮化物的高压理论研究

新型能源材料碱土金属富氮化物的高压理论研究

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作者：刘志鹏山东理工大学

学位级别：硕士

高能密度材料逐渐发展为一种新型能源材料,这类材料能量密度高,具有优异的爆炸速度、爆破压力以及较高的稳定性,因而受到广泛关注。当今,高能密度材料主要是含氮一类的材料,它主要运用在火药、炸药、武器、航空航天等领域,具有重要的应... 详细信息

高能密度材料逐渐发展为一种新型能源材料,这类材料能量密度高,具有优异的爆炸速度、爆破压力以及较高的稳定性,因而受到广泛关注。当今,高能密度材料主要是含氮一类的材料,它主要运用在火药、炸药、武器、航空航天等领域,具有重要的应用前景。与此同时,高能密度材料的研究正在经历着重大变化,发现了很多新型的高能密度材料,能量密度和稳定性能得到了相应的提高和改善。纯氮聚合物作为高能密度材料面临两大难题,合成条件高以及在环境条件下不稳定,而金属氮化物作为潜在高能密度材料可以在一定程度上解决这两大难题,近几年来这类化合物获得广泛研究。目前,在实验上已经有在低压下合成的碱土金属氮化物应用于高能密度材料领域,但在高压条件下合成的比较少。其中,针对碱土金属氮化物,大量理论工作证实这类化合物需要的合成压力小,尤其富氮化合物中氮含量较高,含有大量的氮氮单键和氮氮双键,因而具有较高的能量密度表现出优异的储能特性。然而,目前利用碱土金属氮化物探索高能密度材料的研究处于起步阶段,受限于高压下的结构与合成路径尚不清楚,且其形成原因、聚合氮构型与储能特性的内在关联尚不明确,难以开展实验探索。其中利用理论模拟提前进行合理预测,可以简化实验流程降低实验成本。本文主要是基于第一性原理的计算方法,运用密度泛函理论探索高压条件下碱土金属富氮化物的稳定结构和潜在储能特性。在本文工作中,我们运用VASP软件程序包和CALYPSO预测软件,模拟在高压实验条件下,预测不同压力下不同化学配比的碱土金属体系氮化物的晶体结构,并计算了能带结构、投影态密度、电子局域函数等电子性质,阐述了碱土金属富氮化物作为新型能源材料的优势。具体研究内容如下:(1)六元富氮碱土金属氮化物XN(X=Ca、Sr和Ba)的研究。我们对三种六元富氮碱土金属氮化物进行了系统研究,并对它们的晶体结构和电子性质进行了计算和分析。声子计算结果表明,Ca N在高压条件下是动力学不稳定的,而SrN和Ba N能保持相应的动力学稳定。能量分析表明这两种化合物都出现了新的相变,SrN在22 GPa下出现了新的相变P?1结构,Ba N在110 GPa下出现了单斜相C2/m结构。SrN的P?1结构中氮的聚合形式是氮链结构,而Ba N的C2/m结构中氮的聚合形式是氮六元环状网络结构,氮的聚合程度得到提高,表现出了潜在的储能特性。电子性质分析表明P?1-SrN和C2/m-Ba N都展现出半导体性质,其中N-2p轨道在费米能级处贡献最大,对结构的稳定性起了关键的作用。从电子局域函数中可以看出,它们中的氮原子分别呈现sp和sp杂化形式,表明这两种新的化合物都含有一定量的氮氮单键和氮氮双键,可以作为潜在的高能密度材料。因此,碱土金属富氮化物P?1-SrN和C2/m-Ba N的理论研究为实验合成提供了有力的数据支持。(2)三种Ba-N碱土金属富氮化物的高压理论研究。我们主要对三种Ba-N碱土金属富氮化合物进行了详细研究,进一步分析了它们的电子性质和潜在性能。根据稳定性标准判断三种富氮化合物在高压条件下能保持相应的动力学稳定,且Ba N能在环境压力下稳定存在。我们预测在压力为100GPa时出现了Ba N一个新的单斜P2/c结构,P6/mmm-Ba N结构经历两次相变,在90GPa时转变为P?1-Ba N结构,Imma-Ba N结构在70GPa时转变为P?1-Ba N结构。氮的聚合形式分别为氮六元环、含氮六元环的无限氮链和两个氮六元环相连的N单元结构,且都展现为半导体性质。在三种结构中,N-2p轨道在费米能级处贡献最大,对结构的稳定性起了关键的作用。计算电子局域函数,发现它们中的氮原子分别呈现sp、sp和sp的杂化形式,表明这三种新的富氮化合物都含有氮氮单键和氮氮双键。进一步计算能量密度、爆轰速度和爆轰压力,得到P2/c-Ba N、P?1-Ba N和P?1-Ba N的能量密度分别为0.684k J/g、1.485k J/g和1.157k J/g,后两者介于TATB、RDX等高能材料的高能密度(1～3k J/g)之间。三者的爆轰速度在5.20-6.27km/s的范围内,爆轰压力在15.58-26.13GPa之间,与TNT的值接近,也能够说明三种材料能作为潜在的高能密度材料。进一步计算简约梯度密度函数,表明三种材料中含有环状结构和非键重叠,对其结构的稳定性起了维持作用。因此,我们对Ba N、Ba N和Ba N三种富氮化合物的研究,为实验上合成碱土金属富氮化物提供了理论帮助。(3)SrN碱土金属富氮化物的高压理论研究。我们运用结构预测和原子替换两种方法,对SrN进行了晶体结构的确定,并进一步分析了结构稳定性、成键方式和潜在的性质。我们预测了两种SrN结构:热力学和动力学计算结果都显示Ibam-SrN在压力为20GPa时能够稳定存在,压力大于60GPa时Iba

关键词：高能密度材料碱土金属富氮化物新型能源材料高压材料第一性原理方法

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锂离子电池高压正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的制备与性能研究

锂离子电池高压正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的制备与性能研究

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作者：李茜燕山大学

学位级别：硕士

现代电子技术的发展日新月异,对锂离子电池的发展也提出了更高的要求。为更好地满足发展需要,开发研究性能优异的电极材料成为了必然。尖晶石型LiNiMnO正极材料,具有单一的高电压放电平台,可显著提高锂离子电池的能量密度,受到了广泛关... 详细信息

现代电子技术的发展日新月异,对锂离子电池的发展也提出了更高的要求。为更好地满足发展需要,开发研究性能优异的电极材料成为了必然。尖晶石型LiNiMnO正极材料,具有单一的高电压放电平台,可显著提高锂离子电池的能量密度,受到了广泛关注。本论文分别采用共沉淀法和溶胶-凝胶法成功制备了LiNiMnO正极材料,对材料的结构和性能进行了分析,并通过离子掺杂有效改善了材料的电化学性能。分别采用单一共沉淀法和复合共沉淀法制备了性能优异的LiNiMnO正极材料,对材料的结构和性能进行比较和分析,结果发现:以Na2CO3和(NH4)2C2O4为复合沉淀剂,且750℃烧结15 h后制备的材料纯度较高,具有较好的电化学性能,0.2C倍率下的初始放电比容量达到129.6 mAh·g-1,循环50次后的容量保持率为85.9%,说明两种沉淀剂的复合协同作用有助于材料性能的提高。以甘氨酸为螯合剂,采用溶胶-凝胶法成功制备了Cr掺杂的电极材料,并对其进行性能分析。结果显示:Cr掺杂没有影响材料的晶体结构和颗粒形貌,当掺杂摩尔量为0.05时的LiNi0.45Cr0.05Mn1.5O4材料的电化学性能最佳,0.2C倍率下的放电比容量为113.3 mAh·g-1,与未掺杂的样品相比,循环30次后的容量保持率提高了13%。说明Cr掺杂有效抑制了电极极化,对材料的循环性能起到了很大的改善作用。在确定了最佳Cr掺杂量(x=0.05)的基础上,进一步研究了Cr和Co共掺杂对材料的改性作用。通过分析发现:Cr和Co共掺杂提高了材料的放电比容量,当Cr摩尔含量为0.02,Co摩尔含量为0.03时,材料在0.2C倍率下的放电比容量达到了126.4 mAh·g-1,与LiNi0.45Cr0.05Mn1.5O4材料相比,提高了13.1 mAh·g-1,说明Cr和Co共掺杂有利于材料放电比容量的提高,但循环性能还有待改善。

关键词：锂离子电池高压材料 LiNi0.5Mn1.5O4 复合沉淀多元掺杂协同效应

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高压下铷硼化合物结构及性质的第一性原理研究

高压下铷硼化合物结构及性质的第一性原理研究

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作者：杨易霖吉林大学

学位级别：硕士

金属硼化物常表现出超导、超硬等优异的物理性质,它的相关研究在基础科学领域和工业领域都得到了广泛关注。前期工作表明,碱土金属硼化物MgB是典型的Bardeen-Cooper-Schrieffe(Bcs)传统超导体,并在常压下创造了传统超导体超导转变温度39... 详细信息

金属硼化物常表现出超导、超硬等优异的物理性质,它的相关研究在基础科学领域和工业领域都得到了广泛关注。前期工作表明,碱土金属硼化物MgB是典型的Bardeen-Cooper-Schrieffe(Bcs)传统超导体,并在常压下创造了传统超导体超导转变温度39K的纪录。除此以外,部分过渡金属硼化物因其三维共价网络展现了优异的超硬特性。因此设计出新型硼化物,探索其内在物理性质,将有助于加深对其相关物理化学性质和潜在物理机制的理解。在本工作中,我们使用先进的粒子群结构预测方法结合第一性原理计算,对凝聚态Rb-B系统在广泛的化学配比范围内进行了示范性的研究,并得到了以下创新结果。发现了三个热力学与动力学稳定的化合物六方晶系的RbB、单斜晶系的RbB以及立方晶系的RbB,它们分别在超过6.8、50和2.5Gpa的压强下稳定。RbB在14.5Gpa时从立方结构转变为正交结构,然后在70Gpa时转变为单斜结构。电子性质的计算表明,六方晶系的RbB、单斜晶系的RbB都是金属相,而RbB随着压强的增加,经历了从金属到半导体,然后再到金属的转变。进一步理论计算表明,RbB是一种声子媒介的超导体,在常压下的超导临界温度为7.3-11.6K。此外,Rb-B的硬度测算展现了硼化物固有的硬度特性,估算的维氏硬度最高约为28Gpa。

关键词：金属硼化物高压材料第一性原理超导电性

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