陶瓷氧化物固態(tài)電解質(zhì)的物理建模和基于HTML5的教學(xué)仿真軟件開發(fā)

1、陶瓷/氧化物固態(tài)電解質(zhì)的物理建模和基于HTML5的教學(xué)仿真軟件開發(fā)18級物理系 胡家鳴18級物理系 林 歡指導(dǎo)老師：樂永康背景介紹：鋰電池與固態(tài)電解質(zhì) 物理建模蒙特卡洛模擬與結(jié)果分析（Python）模型理論預(yù)測HTML5仿真軟件介紹操作演示與亮點測量電解質(zhì)伏安特性測量電解質(zhì)電導(dǎo)與溫度的關(guān)系物理實驗教案示例目錄胡家鳴林歡外電路：電子流電解質(zhì)：電子絕緣，離子導(dǎo)體背景介紹：Why固態(tài)電解質(zhì)？Nat. Rev. Mater. 2 (2017) 16103背景介紹：固態(tài)電解質(zhì)中的內(nèi)源枝晶問題“漏電”+缺陷：Li+ + e- Li金屬知己知彼，需要實驗+理論來研究其整體機(jī)理！Energy Storage

2、Materials 10 (2018) 139159物理建模：固態(tài)電解質(zhì)微觀圖像utE(T)pEcx + a/2x - a/2XeEaLi-晶格相互作用：擴(kuò)散勢壘 + 應(yīng)力勢能 aLi-Li相互作用：硬球排斥 + 金屬鍵吸引 電子化學(xué)勢低：Li保持離子態(tài)，近似為硬球排斥電子化學(xué)勢高：電子占據(jù)Li-Li金屬鍵成鍵態(tài)，產(chǎn)生吸引勢 - 0 = 3(n - ne0)/D0 - eEm(Cm) = Uc 1 - exp-n/nmc只在窄帶隙電解質(zhì)、缺陷處有顯著貢獻(xiàn)缺陷：擴(kuò)散勢壘等物理量修正 Energy Storage Materials 10 (2018) 139159蒙特卡羅方法模擬流程每個格點的L

3、i+數(shù)密度n可連續(xù)取值，表示為Li+數(shù)的期望晶胞內(nèi)Li+能量滿足Boltzman分布，只取能量恰好達(dá)到躍遷勢壘的Li+，其占比為nexp-Ur(r)，它們躍遷到擴(kuò)散勢壘頂每個格點的Li+數(shù)n取0或正整數(shù)，表示為Li+的個數(shù)產(chǎn)生每個Li+的隨機(jī)熱動能ET (滿足Boltzman分布)：隨機(jī)數(shù)0 R1 Ur(r) 每個時間步先計算所有格點躍遷數(shù)，再全部更新低能近似+量子圖像完全漲落+經(jīng)典圖像否則，有1/2的概率躍遷到下一個鄰近晶胞：隨機(jī)數(shù)0 R3 1，若 R3 1/2，記錄此次躍遷產(chǎn)生隨機(jī)躍遷方向，計算總躍遷勢壘: Ur(r) = Ut(r+r) - Ut(r) + e(r+r) - (r) -

4、E(r,n)c - E(r,n)m選擇一個晶胞若躍遷目的地已達(dá)到最大離子數(shù)：躍遷無效，退回原晶胞總能隨時間變化 離子數(shù)空間分布（亮：Li+數(shù)密度大；暗：Li+數(shù)密度小）離子數(shù)密度統(tǒng)計分布（x：Li+數(shù)密度；y：格點數(shù)）t=5t=92電勢場低勢場低能近似模擬結(jié)果開路邊界+強(qiáng)電場+寬帶隙總能隨時間變化t=5t=92t=5t=92電勢場高電勢低電勢 電勢場完全漲落模擬結(jié)果短路邊界+缺陷+寬帶隙晶格周期束縛勢場（強(qiáng)束縛）晶格間的空隙（弱束縛）無外加電場Li+分布空隙附近的勢能場（1D）外加電場Li+分布無外加電場下體系總能量隨時間變化外加電場下體系總能量隨時間變化總能隨時間變化 完全漲落模擬結(jié)果恒源邊

5、界+缺陷+窄帶隙Liu, X,et al. Nat. Mater. (2021)Krauskopf et al., Joule 3, 20302049LLZ-Ta固態(tài)電解質(zhì)SEM圖ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 1061710626離子數(shù)密度統(tǒng)計分布x：Li+數(shù)密度；y：格點數(shù)離子數(shù)空間分布（亮：Li+數(shù)密度大；暗：Li+數(shù)密度?。U(kuò)散系數(shù) D = a2/(12s)exp(-Ur/kT )微觀活化能Ur = Ecb + U0 (a/2)qi + Ut - Ecbq電導(dǎo)率 u = D/kT e-Ea/kT/Ti方向離子流：離子電流 = 濃度擴(kuò)散 + 電遷

6、移 + 協(xié)同輸運(yùn) + 形貌缺陷驅(qū)動擴(kuò)散系數(shù)D 與電導(dǎo)率u 滿足Nernst-Einstein 關(guān)系電導(dǎo)率具有Arrenius公式形式且活化能 擴(kuò)散勢壘模型理論預(yù)測Energy Storage Materials 10 (2018) 139159弱場近似 + 弛豫時間近似 + 寬帶隙近似（忽略Li-Li吸引）下得到：和實驗規(guī)律吻合背景介紹：鋰電池與固態(tài)電解質(zhì)物理建模蒙特卡洛模擬與結(jié)果分析（Python）理論預(yù)測HTML5仿真軟件介紹操作演示與亮點測量電解質(zhì)伏安特性測量電解質(zhì)電導(dǎo)與溫度的關(guān)系物理實驗教案示例目錄胡家鳴林歡HTML5程序結(jié)構(gòu) 可調(diào)參數(shù)是否達(dá)到模擬次數(shù)上限是否達(dá)到循環(huán)次數(shù)模擬一步否否是

7、是模擬循環(huán)更新動畫交互部分模擬部分背景介紹：鋰電池與固態(tài)電解質(zhì)物理建模蒙特卡洛模擬與結(jié)果分析（Python）理論預(yù)測HTML5仿真軟件介紹操作演示與亮點測量電解質(zhì)伏安特性測量電解質(zhì)電導(dǎo)與溫度的關(guān)系物理實驗教案示例目錄伏安關(guān)系 固定溫度下，電流隨時間演化趨于穩(wěn)定，隨電壓變化關(guān)系較好地符合歐姆定律。電導(dǎo)率-溫度關(guān)系 在dU = 0.8, Ut0= 5, Kc = 2.12條件下擬合結(jié)果為符合Arrenius公式的形式，符合理論推導(dǎo)和實驗回顧理論推導(dǎo)的無缺陷電導(dǎo)率：微觀活化能Ur = Ut - Ecbu = a2/(12skT)exp(-Ur/kT )背景介紹：鋰電池與固態(tài)電解質(zhì)物理建模蒙特卡洛模擬與結(jié)果分析（Python）理論預(yù)測-1pHTML5仿真軟件介紹操作演示與亮點測量電解質(zhì)伏安特性測量電解質(zhì)電導(dǎo)與溫度的關(guān)系物理實驗教案示例目錄教學(xué)演示實例1、實驗前需要回答的問題：（1）為什么要研究固態(tài)電解質(zhì)？（2）什么是輸運(yùn)問題？你能描述固態(tài)電解質(zhì)中的輸運(yùn)圖像嗎？（3）簡述Hu-Lin模型的基本假設(shè)和適用條件2、必做實驗：（1）熱弛豫：熟悉軟件操作，觀察熱弛豫現(xiàn)象（電流、總能量、離子分布），探究熱弛豫與溫度、擴(kuò)散勢壘、體模量、模型尺度、邊界條件、外加電壓的關(guān)系；（2）測量伏安特性：在一定條件下，測量體系伏安特性（3）驗證Arren