鎂電池電極材料第一性原理研究.pdf

1、鎂元素是目前地球上儲量最豐富的輕金屬元素之一，由于其良好的物理化學，機械等性能，使其逐漸走上科研熱點的位置，其比剛度和比強度高，切削加工性能很好和鑄造性能好，以及符合當下循環(huán)利用性良好，能源再利用的主題，在汽車行業(yè)、自動化產(chǎn)業(yè)以及電子產(chǎn)品等方面有著廣泛的應(yīng)用，繼鋰電池、鈉電池之后，鎂電池由于其儲量豐富與攜帶電荷數(shù)多等優(yōu)點，逐漸成為了新能源研究的重點，緊緊的扣住了時代潮流中綠色環(huán)保節(jié)能的主題，其工業(yè)應(yīng)用在世界范圍內(nèi)受到越來越廣泛的關(guān)注，所

2、以目前科研人員對于鎂電池材料的研究也越來越廣泛。
　　本文運用了第一性原理計算的方法研究了磷做鎂電池負極材料的性能和鎂電池穩(wěn)定性的研究，對于鎂電池負極材料，磷鎂化合物結(jié)構(gòu)中最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是Mg3P2，次穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是Mg4P3和Mg2P，但體積膨脹率Mg4P3最小在232％左右，Mg2P結(jié)構(gòu)的為304%，均介于鋰電池和鈉電池之間。且原子嵌入平均電壓為0.68V和0.77V，這與已經(jīng)驗證的黑磷中嵌鋰結(jié)構(gòu)的平均電壓0.85V很接近。結(jié)果表明化

3、合物中的結(jié)構(gòu)均屬于類似層狀的結(jié)構(gòu)，由于黑磷屬于褶皺層狀材料，其層間通道足夠大，所以我們進一步對層狀黑磷做負極進行針對性研究，對二維層狀黑磷通過計算確定的最穩(wěn)定的嵌鎂原子個數(shù)為4個即Mg0.11P0.89結(jié)構(gòu)，且嵌入原子要均勻的分布在層間間隙位置，其需要克服能壘最低的擴散通道為平行于單層黑磷褶皺方向的路徑，能壘為2.63eV。
　　對于做電池材料，穩(wěn)定性是必須要考慮的問題，所以對于電池中的純鎂電極，研究了嵌入原子對鎂金屬材料的穩(wěn)定性

4、性能的影響，環(huán)境中常見的元素氫、氧和氮對鎂中常見孿晶(10-11)、(10-12)、和(10-13)孿晶的影響。確定了氫、氧、氮原子嵌入在孿晶中形成能最低、最穩(wěn)定的固溶位置。對于(10-11)、(10-12)、和(10-13)鎂孿晶，其最穩(wěn)定的固溶位置為孿晶界上的高對稱位置或?qū)\晶界附近的八面體間隙中，而對于其中的(10-13)孿晶，固溶原子嵌入后對晶體結(jié)構(gòu)影響較大，使晶格發(fā)生畸變。電子分布函數(shù)和電子態(tài)密度的計算結(jié)果表明，三種固溶元素與鎂