循环双稳固体电解质界面对抑枝解硫作用的第一性原理研究

The solid electrolyte interfaces on Lithium metal anode is the key influencing factors with the Li-ions intercalation and deintercalation processes in the Lithium-Sulfur batteries, which is closed related to the cathode and anode. The influence of the anode protect film of solid electrolyte interfaces film on the Li-ions intercalation and deintercalation processes and the diffusion and deposition of the lithium polysulfide between cathode and anode show broad application prospect and scientific value.. Based on the related results, the stability, uniformity, and inhibit Li dendrite and polysulfide of solid electrolyte interfaces will carry out. This research intends to carry the following contents: using the first principle calculations method based on density functional theory (DFT) to explore the stability of solid electrolyte interfaces with the mechanical property; combined with calculate the Li-ions intercalation and the lithium polysulfide diffusion processes, expound the behavior of Li-ions and the lithium polysulfide with the stability SEI, investigate the elastic properties and induction of the SEI that discussed the stability of physics structure and chemistry action. According to the calculation results, to reveal the system and methodology of the solid electrolyte interfaces. . The results of the project could theoretically support the further investigation and industrial application of the solid electrolyte interfaces films in the Lithium-Sulfur batteries. It provides new analysis methods to the batteries of Lithium metal anode. It is more scientific valuable that the formation and exact role in this project for the Lithium-Sulfur batteries and all solid state lithium batteries.

直接影响锂原子嵌脱过程的固体电解质界面已成为锂-硫电池中关键性影响因子。负极保护层固体电解质界面对锂原子嵌脱过程、硫化锂扩散与沉积的影响作用展示出广阔的研究价值与应用前景。. 本项目在现有基础，开展针对固体电解质界面稳定性、均匀性及抑枝解硫作用研究。主要内容：采用第一性原理方法精确计算结构稳定且具一定机械强度的共格外延固体电解质界面；联合锂原子嵌脱与硫化锂扩散过程的计算，阐明稳定固体电解质界面状态下锂离子、硫化锂在负极脱附与锂化行为；连续研究固体电解质界面力学相变行为与诱导催化作用验证固体电解质界面的物理结构与化学作用双稳机制。通过讨论研究结果，构建稳定固体电解质界面的研究体系与研究方法。. 预期成果可为锂硫电池中稳定固体电解质界面的研究与应用提供理论支持，并为以锂金属为负极的电池及固态电池研究领域提供新方法与思路。所揭示的稳定固体电解质界面的形成过程与作用原理更具科学价值。

固体电解质界面(SEI)对锂金属负极表面保护作用至关重要。需要从SEI的组分、结构和形成过程等方面，结合第一性原理和动力学蒙特卡洛仿真方法，围绕锂离子在固体电解质界面与锂负极表面的输运与扩散机理等开展系统研究。.发现Li+在以卤化锂(LiF, LiCl, LiBr)为主的固体电解质界面的锂负极表面各向异性扩散机制，籍此建立固体电解质界面基团(LiF, Li3N, Li2CO3等)在锂金属表面结构改性的人工SEI。搭建结构均匀且具有一定机械强度的固体电解质界面，如：La掺杂LiF边界SEI, Li3N分别与本征石墨烯、缺陷石墨烯、掺氮石墨烯、氮化石墨烯的异质结SEI, 缺陷H-Diamond及B、P、S掺杂SEI。第一性原理计算证实LiF-SEI、Li3N/石墨烯、掺杂H-Diamond等固体电解质界面区域的变化对离子扩散能垒的影响作用。调控离子扩散的同时从机械强度抑制枝晶生长。.同时，该项目开展研究过渡金属氮化物与氧化物(TMN和TMO2)纳米复合结构解硫保护层，调控表面裸露的酸性原子对长链Li-S化合物锚定与降解的催化性能。理论计算发现过渡金属氮化物和氧化物表面金属原子具有较强的催化性能。研究发现ZrO2晶体结构形式可调控表面吸附锂硫环中S-Zr的PDOS的费米能级。由费米能级的变化现象搭建了针对Li2S6和Li2S8在t-ZrO2表面的P型催化到m-ZrO2表面N型催化模型的演变。费米能级介于价带与导带间的立方ZrO2强吸附催化模型，即介于P型与N型催化之间的物理模型。由此，提出可通过调控费米能级改善锂硫长环催化性能的物理模型。.基于本项目的开展，发表 SCI 论文 7篇；授权发明专利1项；项目组成员参加国内外学术会议5 次，并获优秀海报奖1次；共培养9名硕士研究生，已获硕士学位毕业生 7名、在读硕士生 2名。