硅中锂与位错相互作用的多尺度模拟

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由于Si对Li有着很强的存储能力，近些年来人们为了设计出对Li离子储存能力更强、使用寿命更长的新一代Li离子电池，将Si以及Si的各种纳米结构视为新一代锂离子电池中最热门的电极材料。但 Li在进入 Si后，会导致 Si产生将近400％的大变形，如此强烈的大变形将使 Si极锂离子电池的寿命大大降低。伴随着变形的产生，Si中必然会产生各种缺陷用来释放变形所造成的应力，位错是其中最重要的一类缺陷。因此研究 Si中位错与Li的相互作用就显得非常必要，这方面的研究能帮助我们深入理解 Li在含位错 Si体系中的动力学特性，并能帮助人们解决大变形带来的问题，早日设计出性能优异的Si极Li离子电池。本文使用耦合了第一性原理（DFT）以及分子动力学(MD)的QM/MM多尺度计算方法模拟Li在含位错Si中的稳定构型以及动力学特性，这将对日后解决Si电极大变形问题有着重要的理论参考价值。
　　首先本文使用多尺度方法模拟了Li原子在Bulk Si中的稳定构型以及扩散运动过程。Li原子在Bulk Si中的最稳定位置处于四面体晶格的中心(Td)。它的扩散路径是周期性锯齿形（zig-zag）路径，过渡态位置位于四面体晶格的底面六边形原子环中心处。这一结果与已存在的第一性原理研究结果相吻合。并且在这部分内容中还计算了Li原子在Bulk Si中的结合能以及扩散势垒，并将这一结果和完全第一性原理(DFT)计算结果对比，证明了本文中所使用的这种多尺度方法无论是在能量数值计算精度上还是能量计算收敛性上都比较让人满意。
　　接着模拟了Si中Li原子与glide型60°位错的相互作用。通过模拟发现， Li原子在glide型60°位错内部的稳定位置处于每两个位错芯重构时形成的Si-Si原子对所夹的开阔区域的中心处。通过这种每两个Si-Si原子对之间的开口，Li原子可以以较小的势垒由位错芯周边扩散进入位错芯内部。Li原子在位错芯内部扩散时，过渡态在沿着位错线上的两种七边形原子环与一个Si-Si原子对构成的区域内，另外存在两种局部过渡态位置位于两种七边形原子环的中心。通过计算发现Si中glide型60°位错对于Li原子的扩散具有加速的作用，这与已存在的研究中提到的位错对于粒子扩散的加速现象（pipe diffusion）相一致。
　　其后模拟了shuffle型60°位错对于Si中Li原子动力学特性的影响。包括：Li原子在位错芯内部以及周边的稳定构型和在位错芯内部的扩散过程。通过模拟发现，Li原子在位错芯中存在两种稳定位置，这两种位置分别处于两种由两个七边形原子环所围成的区域中。当Li原子在位错芯内部发生扩散时，过渡态位于七边形原子环的中心。通过计算发现，Li原子在shuffle型60°位错中构型更加稳定，并且扩散的加速效果也更加明显。
　　最后还研究了30°部分位错和堆垛层错对于Li原子在Si中的动力学性质的影响。模拟了Li原子在位错芯内部以及周围的稳定构型、从周边位置扩散进入位错芯内部以及在位错芯里发生扩散的过程。在30°位错中Li原子也存在两种稳定位置Oct-A和Oct-B，分别位于位错芯在（111）面上投影的八边形中心处，处在不同的（111）面中。Li原子在这两种稳定位置的结合能也都比在Bulk Si中要低。Li原子在30°部分位错中的扩散路径有两条，分别是以两种不同的稳定位置为起点，且扩散路径互不干扰。通过计算发现，与两种60°位错不同，30°部分位错对于Li的扩散有明显的阻碍作用。通过对堆垛层错与Li原子相互作用的模拟，同样发现了堆垛层错也对Li原子的扩散有阻碍作用。在这一部分的末尾还讨论和总结了Li原子在两种60°位错、30°位错以及堆垛层错中的稳定位置和过渡态位置的规律。

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作者
赵伟;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科固体力学
授予学位博士
导师姓名孟庆元;
年度 2014
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总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类各种材料蓄电池;
关键词
锂离子电池; 多尺度方法; 位错相互作用; 硅原子; 动力学特性;

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