NASICON结构化合物中传导离子协同输运的第一性原理分子动力学研究
批准号:
52102313
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
邹喆乂
依托单位:
学科分类:
无机非金属能量转换与存储材料
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
邹喆乂
中文摘要
NASICON结构家族(通式为AxM2(XO4)3)是一类有应用前景固态电解质和电极体系。根据A或者M选择的不同,其可以做为锂/钠/钾/多价/混合离子固态电解质或电极材料。Li3Zr2Si2PO12及Na3Zr2Si2PO12中Zr为具有稳定的+4价氧化态,因此其分别被用作锂/钠离子固态电解质;基于V3+/V4+氧化还原反应且存在两种传导离子的Li2NaV2(PO4)3、ZnxNaV2(PO4)3及ZnxLiV2(PO4)3可被用为混合离子电池电极材料。然而,这五种NASICON结构化合物中离子输运的微观物理图像尚未明晰。本项目拟通过第一性原理分子动力学模拟研究以上五种NASICON结构化合物中同种/异种传导离子协同输运问题,揭示协同输运程度与离子输运性能之间的关联规律,继而提出基于协同输运效应的离子输运性能调控策略。
英文摘要
The NASICON-structure family, of general formula AxM2(XO4)3, is a class of promising solid electrolytes or electrode systems. Depending on A cations and M metals, the NASICON-structure compounds can serve as electrolyte and electrode in Li-/Na-/K-/polyvalent-/duel-ion batteries. Li3Zr2Si2PO12 and Na3Zr2Si2PO12 in which zirconium is at its stable oxidation states +4 are regarded as electrolyte for solid state Li-/Na-ion battery, respectively. Li2NaV2(PO4)3 ZnxNaV2(PO4)3 and ZnxLiV2(PO4)3 based on the V3+/V4+ redox reaction and with two types of A cations are used as electrode in duel-ion battery. However, the microscopic physical image of ion transport for these five systems remains unknown. In this project, we will investigate the concerted migration with the same type of ions in Li3Zr2Si2PO12 and Na3Zr2Si2PO12 and with the different types of ions in Li2NaV2(PO4)3, ZnxNaV2(PO4)3 and ZnxLiV2(PO4)3 by ab initio molecular dynamics simulations, revealing the relationship between the degree of concerted migrations and the ion transport properties, and thus proposing the regulating strategy for the ion transport properties based on the concerted migration effects.
本项目以NASICON型化合物为模型体系,深入研究NASICON型化合物中传导离子协同输运机制的成因,发展了基于传导离子协同输运机制的离子输运性能的调控方法。开发了一套针对离子导体的第一性原理分子动力学(AIMD)模拟结果的分析程序,实现了传导离子协同输运的定量刻画。确定了NASICON型化合物Na3Zr2Si2PO12(NZSP)单斜相中所有的离子输运通道以及各通道中存在的瓶颈,发现Lu掺杂NZSP相较于未掺杂体系展现出了更优的瓶颈尺寸,并且由于更高的钠离子浓度,促进了低能垒的协同跳跃,进而导致钠离子电导率的显著提高。基于上述增加钠离子浓度促进低能垒的协同跳跃策略,提出了一种潜在的钠离子固体电解质Na2Ca3Al2F14(NCAF)。发现锂离子固体电解质LiTa2PO8(LTPO)具有一维“类液态”传导特征,该特征可由高离子占位无序度以及短驻留时间来刻画,传导离子协同输运是诱导类液态传导的关键因素。发现NASICON型化合物Li1+xAlxTi2−x(PO4)3(LATP)在高锂离子浓度时中同样存在锂离子类液态传导机制,因此相较于低锂离子浓度体系具有更高的离子电导率。发现固体电解质中有效传导离子浓度与离子电导率之间存在关联,提出一种计算有效传导离子浓度的新方法P-KMC(Percolation-Kinetic Monte Carlo),用以确定在传导离子浓度可变的固体电解质体系中最优离子电导率组分。基于本项目研究工作,总共发表SCI期刊论文6篇,专著1本,获“2024年度化学工业出版社优秀图书奖二等奖”;在国内重要学术会议邀请报告3次;参与国际学术会议2次;已培养硕士毕业生3名,在读博士生1名和硕士生3名。
NASICON结构化合物LiM2(PO4)3(M=Ti,Ge)锂离子协同输运定量研究
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批准号:2023JJ40635
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2023
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负责人:邹喆乂
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依托单位:
国内基金
海外基金