Статьи автора

Моделирование физико-химических и электронных свойств литийсодержащего 4Н-SiC и бинарных фаз системы Si–C–Li

Номер выпуска 1 от 01.01.2024

В равновесной модели системы твердая поверхность — адатом, включающей трехмерную межфазную поверхность, рассмотрены изменения поверхностных свойств с учетом химического потенциала за счет действия поверхностного натяжения. Проанализирована связь между химическим потенциалом и электрохимическим потенциалом i-го компонента в электрохимической ячейке. Используя теорию функционала плотности (DFT), исследованы адсорбционные, электронные и термодинамические свойства 2 × 2 × 1 и 3 × 3 × 1 суперъячеек кристаллических соединений A_mB_n (A_mB_n = 4H−SiC, α−Li₂C₂, Li_mSi_n, где n и m — стехиометрические коэффициенты) граничных бинарных систем тройной фазовой диаграммы Si–C–Li. Стабильность фаз A_mB_n и расчеты свойств проводили с обменно-корреляционным функционалом в рамках обобщенного градиентного приближения (GGA PBE). Рассчитаны параметры кристаллических структур соединений A_mB_n, энергия адсорбции адатома лития () на подложке 4H–SiC, электронная структура и термодинамические свойства суперъячеек A_mB_n. Определены термодинамически стабильные конфигурации суперъячеек 4H–SiC–Li_ads, имеющие разные расположения Li_ads. Проведены DFT GGA PBE расчеты энтальпии образования соединений A_mB_n в тройной системе Si–C–Li. Учитывая изменения свободной энергии Гиббса в твердофазных реакциях обмена между бинарными соединениями, установлены равновесные разрезы (конноды) в концентрационном треугольнике фазовой диаграммы Si–C–Li. Построено изотермическое сечение фазовой диаграммы Si–C–Li при 298 К. Анализированы закономерности диффузионных процессов, которые связаны с перемещением частиц на поверхностном слое образца 6H–SiC. В двух температурных интервалах (769–973 и 1873–2673 К) вычислена энергия активации диффузии лития в 6H–SiC из соотношения вида Аррениуса.

197 0

Моделирование электронных свойств М-легированных суперъячеек Li₄Ti₅O₁₂—М (М = Zr, Nb) с моноклинной структурой для литий-ионных аккумуляторов

Номер выпуска 1 от 01.01.2024

Уточнена фазовая диаграмма T–x квазибинарной системы Li₂O–TiO₂ и построено изотермическое сечение тройной системы Li–Ti–O при 298 К. Определены равновесные фазовые области Li–Ti–O в твердом состоянии с участием граничных бинарных оксидов и четырех промежуточных тройных соединений Li₄TiO₄, Li₂TiO₃, Li₄Ti₅O₁₂ и Li₂Ti₃O₇. Методом теории функционала плотности (DFT LSDA) рассчитаны энергии образования указанных тройных соединений системы Li₂O–TiO₂ и построена зависимость Δ_fE от состава. Проведено ab initio моделирование суперъячеек на основе М-легированного анодного материала на основе соединения Li₄Ti₅O₁₂ (LTO) с моноклинной структурой (m). Показано, что частичное замещение катионов и кислорода в структуре m-LTO–M повышает эффективность литий-ионного аккумулятора (LIB) как за счет стабилизации структуры, так и за счет увеличения скорости диффузии Li⁺. За счет вклада d-орбиталей (Zr⁴⁺-4d, Nb³⁺-4d орбитали) в обменную энергию происходит частичная поляризация электронных состояний и увеличивается электронная проводимость m-LTO–M. Образование кислородных вакансий в кристаллической решетке m-LTO–M, как и в бинарных оксидах, может создавать донорные уровни и улучшать транспорт Li⁺ и электронов. М-легирование структуры m-LTO путем замены катионов, в частности лития, на атомы Zr или Nb, заметно уменьшает ширину запрещенной зоны (E_g) суперячеек m-LTO–M. При этом в зонной структуре m-LTO–M уровень Ферми смещается в зону проводимости и запрещенная зона сужается. Уменьшение значения E_g увеличивает электронную и литий-ионную проводимость суперъячеек m-LTO–M.

179 0

Моделирование адсорбции и диффузии атомов лития на дефектном графене для Li-ионной батареи

Номер выпуска 3 от 01.03.2023

На основе теории функционала плотности (DFT) с учетом спиновой поляризации (LSDA) нами рассчитаны адсорбционные и диффузионные свойства атома лития на монослое графена (\({\text{GP}}\)) с моновакансией (\({\text{G}}{{{\text{P}}}_{{\text{V}}}}\)) в качестве анодного материала для \({\text{Li}}\)-ионной батареи. DFT LSDA расчеты проводили в релаксированных 5 × 5 и 6 × 6 суперъячейках \({\text{GP}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {\text{L}}{{{\text{i}}}_{{{\text{ads}}}}}\) и на основе графена с комплексом “моновакансия + адатом лития” \({\text{G}}{{{\text{P}}}_{{\text{V}}}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {\text{L}}{{{\text{i}}}_{{{\text{ads}}}}}\). Исходя из вычисленных значений энергии адсорбции атома лития \(E_{{{\text{ads}}}}^{{{\text{Li}}}}\) определено энергетически стабильное место расположения адатома лития \({\text{L}}{{{\text{i}}}_{{{\text{ads}}}}}\) на монослое суперъячеек в \({\text{GP}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {\text{L}}{{{\text{i}}}_{{{\text{ads}}}}}\) и \({\text{G}}{{{\text{P}}}_{{\text{V}}}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {\text{L}}{{{\text{i}}}_{{{\text{ads}}}}}\). Результаты расчетов показывают, что адатом \({\text{L}}{{{\text{i}}}_{{{\text{ads}}}}}\) энергетически предпочитает адсорбироваться в ямочной позиции (Н-сайт), а не адсорбироваться сверху (Т-сайт) углеродного атома в монослое. DFT LSDA рассчитанные электронная зонная структура и локальный полный и парциальный магнитный момент атомов суперъячеек \({\text{GP}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {\text{L}}{{{\text{i}}}_{{{\text{ads}}}}}\) согласуются с расчетами, проведенными GGA-PBE функционалом для Н, В и Т сайтов графена. С учетом опытно полученных коэффициентов диффузии лития в двухслойном графене в структурной упаковке AB-пакетом и температурной (263–333 K) зависимости диффузии Li в двухслойном графене, которая описывается законом Аррениуса, вычислена энергия активации диффузии \({\text{Li\;}}\) при концентрациях \(x\) = 0.06–0.51 в графене Li_xC₁₂ в AB-упаковке.

103 0