【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及無機功能材料分析表征領域，尤其是涉及一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法。
技術(shù)介紹
1、鈉離子電池是一種新興的儲能技術(shù)，其負極材料的選擇和開發(fā)是關鍵研究方向之一。近年來，二維過渡金屬碳化鈦因其獨特的層狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電化學性能，成為鈉離子電池負極材料研究的熱點之一。
2、稀土鎳酸鹽(renio3)是一種鈣鈦礦型氧化物，其d軌道具有很強的電子相關性。2019年成功地以srtio3為基底通過從鈣鈦礦前體相的拓撲還原得到納米級的無限層鎳酸鹽薄膜nd0.8sr0.2nio2。其與無限層銅氧化物具有相同的結(jié)構(gòu)。通過電阻率、臨界電流密度和磁場響應的測量表明超導轉(zhuǎn)變溫度為約9至15k。renio3豐富的電子性質(zhì)使其具有一系列諸如從電子器件、儲能、高溫超導體等相關的潛在應用。
3、鈉離子電池作為一種新興的儲能技術(shù)，其負極材料的選擇和開發(fā)是關鍵研究方向之一。現(xiàn)有的鈉離子電池負極材料，如硬碳基材料，雖然有一定的儲鈉性能，但仍存在循環(huán)穩(wěn)定性差和倍率性能低的問題。此外，二維過渡金屬碳化鈦因其獨特的層狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電化學性能，成為鈉離子電池負極材料研究的熱點之一，但其在實際應用中仍面臨離子擴散率低和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的挑戰(zhàn)。
4、異質(zhì)結(jié)是由兩種或多種不同材料直接接合形成的界面結(jié)構(gòu)，這些材料具有不同的能帶結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。異質(zhì)結(jié)的形成是由于材料之間存在著能帶不連續(xù)性，導致電荷載流子在材料界面處會產(chǎn)生勢壘。當兩種不同的薄膜堆疊形成異質(zhì)結(jié)時，晶格常數(shù)和對稱性的差異會導致它們的物理性質(zhì)發(fā)生顯著變化。這種界面處的
5、現(xiàn)有技術(shù)中，鈉離子電池負極材料的離子傳導能力不足，遷移勢壘較高，即缺乏高效的異質(zhì)結(jié)構(gòu)設計，以提升鈉離子的傳導性能，從而優(yōu)化電池的整體性能和效率。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，本設計方法優(yōu)化了現(xiàn)有的碳化鈦二維材料作為鈉離子電池負極的離子傳導能力，進一步降低了鈉離子在電池負極的遷移勢壘；通過第一性原理計算將無限層鎳酸鹽與碳化鈦構(gòu)分別切表面，隨后構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，通過研究其層間遷移能壘與表面遷移能壘，得到一種新的材料結(jié)構(gòu)使得其鈉離子傳導性能得到雙重提升，為無限層鎳氧化物的鈉離子遷移設計與優(yōu)化提供了更深的理解，對于鈉離子電池的負極材料應用也有了更多的拓展。
2、本專利技術(shù)的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
3、本專利技術(shù)提供一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，包括以下步驟：
4、s1：構(gòu)建無限層稀土鎳氧化物與碳化鈦的模型：利用晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件構(gòu)建鈣鈦礦型無限層稀土鎳氧化物與碳化鈦的模型，并進行擴胞操作，以確保兩種材料的接觸表面面積一致性；
5、s2：構(gòu)建無限層稀土鎳氧化物/碳化鈦異質(zhì)結(jié)模型：將擴胞后的模型通過晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件構(gòu)建成無限層稀土鎳氧化物/碳化鈦異質(zhì)結(jié)模型，并轉(zhuǎn)化為三維原子坐標文件；
6、s3：計算無限層稀土鎳氧化物/碳化鈦異質(zhì)結(jié)的界面能：分別對無限層稀土鎳氧化物和碳化鈦的表面結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到穩(wěn)定的表面結(jié)構(gòu)坐標文件，對表面結(jié)構(gòu)坐標文件合并后增加真空層以隔絕周期性邊界效應，計算得到最優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并分析無限層稀土鎳氧化物異質(zhì)結(jié)的表面結(jié)合能；
7、s4：結(jié)果處理與分析：通過晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件展示優(yōu)化后的體系結(jié)構(gòu)，分析不同稀土元素構(gòu)成的無限層的鍵長鍵角以及晶格常數(shù)的變化，繪制電荷密度圖、態(tài)密度圖、鈉離子遷移勢壘圖、電子電導率圖，比較鈉離子在異質(zhì)結(jié)層間與表面以及碳化鈦層間的遷移勢壘，得出鈉離子遷移能壘的變化情況，從而計算離子電導優(yōu)化率，基于離子電導優(yōu)化率設計無限層稀土鎳氧化物，作為鈉離子電池負極材料。
8、進一步地，s3和s4中，采用對電子與離子特性計算的方式實現(xiàn)計算無限層稀土鎳氧化物/碳化鈦異質(zhì)結(jié)的界面能、結(jié)果處理與分析，所述電子與離子特性計算的計算流程包括：結(jié)構(gòu)優(yōu)化、靜態(tài)自洽計算、基于生成的電荷密度數(shù)據(jù)文件的特性計算，以及離子遷移率計算。
9、進一步地，s1至s4中：
10、所述晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件為materials?studio軟件；
11、將異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)為三維的原子坐標的軟件為vesta；
12、對電子與離子特性計算的計算軟件為vasp軟件；
13、處理數(shù)據(jù)結(jié)果軟件為p4v與origin。
14、進一步地，s1至s4中：所述低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物設計方法采用篩選方法，所述篩選方法基于密度泛函的第一性原理計算，篩選對象是不同真空層厚度與摻雜不同sr濃度的異質(zhì)結(jié)模型。
15、進一步地，所述篩選過程包括：改變異質(zhì)結(jié)模型中的摻雜sr濃度和真空層厚度，以考察這些變量對無限層鎳氧化物異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。
16、進一步地，s4中，計算離子特性時，以na離子遷移點位為變量，考察該變量對于在層間與表面不同點位遷移的鈉離子的離子電導率的變化。
17、進一步地，s3和s4中，調(diào)控低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物設計方法是對離子和價電子的相互作用，并采用綴加平面波的方法來描述，交換關聯(lián)泛函采用廣義梯度近似方法。
18、進一步地，s1中，分別構(gòu)建鈣鈦礦型稀土鎳氧化物與碳化鈦模型，隨后刪除稀土鎳氧化物頂端氧原子后再進行擴胞操作。
19、進一步地，s3中，計算得到最優(yōu)化結(jié)構(gòu)過程中，以倒空間原點方法產(chǎn)生高對稱點，結(jié)構(gòu)優(yōu)化時對無限層稀土鎳氧化物的高對稱點設置為2×3×5，對碳化鈦的高對稱點設置為2×3×1。
20、進一步地，s4中，離子遷移率計算過程包括：在異質(zhì)結(jié)的層間與表面上，選取五個最近的遷移位點，進行cineb計算，計算出每一個點為遷移到勢能面的鞍點，即過渡態(tài)，最終繪出整體的遷移勢壘。
21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下技術(shù)優(yōu)勢：
22、1)本專利技術(shù)通過應用第一性原理計算，直接從無限層稀土鎳氧化物材料和碳化鈦體系的基本晶體結(jié)構(gòu)信息出發(fā)，無需依賴額外的經(jīng)驗參數(shù)，能夠精確計算體系的空間結(jié)構(gòu)、電子狀態(tài)、離子狀態(tài)和總能量等關鍵信息，提高了計算的準確性和可靠性。
23、2)本專利技術(shù)通過計算分析揭示了影響鈉離子在無限層稀土鎳氧化物中遷移能壘的關鍵因素，為實驗研究和開發(fā)新型鈉離子電池負極材料提供了深入的理論指導和設計依據(jù)，有助于優(yōu)化材料的性能。
24、3)本專利技術(shù)結(jié)合原子結(jié)構(gòu)表征和表面結(jié)合能計算，驗證了所研究的新型無限層鎳氧化物材料在室溫下的穩(wěn)定性和可制備性，為鈉離子電池負極材料的實驗制備和應用提供了堅實的理論基礎。
25、4)本專利技術(shù)采用計算模擬方法，僅需使用計算機進行實驗，無需實際的實驗原材料，顯著降低了實驗成本。同時，計算過程高效、可控，能夠快速迭代優(yōu)化設計，加速了新材料從理論到實際應用的轉(zhuǎn)化過程。
26、5)本專利技術(shù)的設計本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，其特征在于，S3和S4中，采用對電子與離子特性計算的方式實現(xiàn)計算無限層稀土鎳氧化物/碳化鈦異質(zhì)結(jié)的界面能、結(jié)果處理與分析，所述電子與離子特性計算的計算流程包括：結(jié)構(gòu)優(yōu)化、靜態(tài)自洽計算、基于生成的電荷密度數(shù)據(jù)文件的特性計算，以及離子遷移率計算。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，其特征在于，S1至S4中：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，其特征在于，S1至S4中：所述低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物設計方法采用篩選方法，所述篩選方法基于密度泛函的第一性原理計算，篩選對象是不同真空層厚度與摻雜不同Sr濃度的異質(zhì)結(jié)模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，其特征在于，所述篩選過程包括：改變異質(zhì)結(jié)模型中的摻雜Sr濃度和真空層厚度，以考察這些變量對無限層鎳氧化物異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，其特征在于，S4中，計算離子特性時，以Na離子遷移點位為變量，考察該變量對于在層間與表面不同點位遷移的鈉離子的離子電導率的變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，其特征在于，S3和S4中，調(diào)控低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物設計方法是對離子和價電子的相互作用，并采用綴加平面波的方法來描述，交換關聯(lián)泛函采用廣義梯度近似方法。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，其特征在于，S1中，分別構(gòu)建鈣鈦礦型稀土鎳氧化物與碳化鈦模型，隨后刪除稀土鎳氧化物頂端氧原子后再進行擴胞操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，其特征在于，S3中，計算得到最優(yōu)化結(jié)構(gòu)過程中，以倒空間原點方法產(chǎn)生高對稱點，結(jié)構(gòu)優(yōu)化時對無限層稀土鎳氧化物的高對稱點設置為2×3×5，對碳化鈦的高對稱點設置為2×3×1。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，其特征在于，S4中，離子遷移率計算過程包括：在異質(zhì)結(jié)的層間與表面上，選取五個最近的遷移位點，進行CINEB計算，計算出每一個點為遷移到勢能面的鞍點，即過渡態(tài)，最終繪出整體的遷移勢壘。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，其特征在于，s3和s4中，采用對電子與離子特性計算的方式實現(xiàn)計算無限層稀土鎳氧化物/碳化鈦異質(zhì)結(jié)的界面能、結(jié)果處理與分析，所述電子與離子特性計算的計算流程包括：結(jié)構(gòu)優(yōu)化、靜態(tài)自洽計算、基于生成的電荷密度數(shù)據(jù)文件的特性計算，以及離子遷移率計算。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，其特征在于，s1至s4中：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，其特征在于，s1至s4中：所述低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物設計方法采用篩選方法，所述篩選方法基于密度泛函的第一性原理計算，篩選對象是不同真空層厚度與摻雜不同sr濃度的異質(zhì)結(jié)模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，其特征在于，所述篩選過程包括：改變異質(zhì)結(jié)模型中的摻雜sr濃度和真空層厚度，以考察這些變量對無限層鎳氧化物異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低鈉離子遷移勢壘的無限層鎳氧化物的設計方法，其特征...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：崔苑苑，張誠宇，牛露鑫，高彥峰，
申請(專利權(quán))人：上海大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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