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nbs2的层间结构调控及其储Li/Na机理的理论研究

NbS2的层间结构调控及其储Li/Na机理的理论研究

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作者：文飘飘湘潭大学

学位级别：硕士

nbs作为一种Li/Na离子电池的负极材料,因其优异的电子导电性和循环稳定性有着广泛的应用前景。然而,其离子导电性有待提高,且其储Li/Na机理有待深入探讨。因此,我们采用第一性原理方法首先研究其物理化学机制,并分析建立了掺杂离子与Nb... 详细信息

nbs作为一种Li/Na离子电池的负极材料,因其优异的电子导电性和循环稳定性有着广泛的应用前景。然而,其离子导电性有待提高,且其储Li/Na机理有待深入探讨。因此,我们采用第一性原理方法首先研究其物理化学机制,并分析建立了掺杂离子与nbs电化学性能之间的内在联系。然后,研究nbs的纳米片的结构,物理性能及其存储Li/Na的机理。并取得了如下结果:（1）Pd掺杂调控nbs结构及其储Li/Na机理的研究:Pd最容易占据其八面体间隙位置。并且nbs层间距随着Pd掺杂量的增加而不断增大。在Pdnbs（x=0,0.083,0.167,0.250,0.333,0.417）中,Pdnbs最容易合成,而且同时发现其具有最优异的韧性,这有利于防止在Li/Na嵌入与脱出时,其结构受到破坏。Nb Pd是一种最理想的Pd掺杂原料。最重要的是,Pdnbs也具有最低的锂离子扩散势垒（0.26 e V）,远低于锂离子在nbs中的扩散势垒（0.43 e V）。此外,Na离子在Pdnbs中的扩散势垒为0.28 e V,也低于Na离子在nbs中的扩散势垒（0.56 e V）。随着Li/Na在其中嵌入/脱出,Pdnbs与其不发生氧化还原反应,保持了其稳定的结构。而且Pdnbs比nbs具有较低的放电电压平台。（2）Pt掺杂调控nbs结构及其储Li/Na机理的研究:八面体间隙位置为Pt最优占据位置。随着Pt掺杂量的增加c方向的晶格常数不断增大。Ptnbs具有最大的杨氏模量（E）和剪切模量（G）,这说明其具有最优的力学稳定性。根据形成能计算结果,发现NbPt为最优掺杂原料,在不同Pt掺杂浓度体系中,Ptnbs具有最低的Li离子扩散势垒（0.32 e V）,Ptnbs还具有较低的Na离子扩散势垒（0.24 e V）。同时,具有较好的电化学稳定性和较低的电压平台。（3）双层nbs纳米片存储Li/Na机理的研究:nbs具有金属性,这表明其具有良好的电子导电性。双层nbs纳米片沿X和Y方向的平面内刚度值分别为203.75 N/m和199.78 N/m,这表明其具有较好的力学性质。随着Li/Na在其中嵌入,Li离子更倾向于占据八面体位置,而Na离子容易吸附在nbs上表面的Nb原子顶部位置。Li和Na离子在双层nbs纳米片中的扩散势垒分别为0.15 e V和0.08 e V,此外,双层nbs纳米片理论容量不仅显著大于nbs（扩大50%）,同时,其具有较低的理论平均开路电压。而且双层nbs纳米片在充放电过程中,不会发生明显的氧化还原反应,从而维持其电化学稳定性。（4）单层nbs纳米片存储Li/Na机理的研究:单层nbs纳米片具有金属性质,单层nbs纳米片沿X和Y方向的平面内刚度值分别为99.10 N/m和100.69N/m。Li离子在其中最稳定的吸附位置为Nb原子的顶端位置（Top-Nb）,Na离子在其中的最稳定占据位为S原子围成的中心位置（Hollow）。Li和Na离子在单层nbs纳米片上的扩散势垒分别为0.18 e V和0.09 e V,这表明单层nbs纳米片具有优异的Li/Na离子传输性能。此外,在单层nbs纳米片具有较高的Li/Na容量;其Li/Na离子平均开路电压分别为0.86 V和0.76 V。同时单层nbs纳米片也具有优异的电化学稳定性。

关键词：第一性原理负极材料掺杂 nbs2纳米片

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