游逸瑋 崔建文 張小鋒 鄭鋒 吳順情 朱梓忠
(廈門大學物理學系, 廈門 361005)
近年來, 全固態(tài)鋰離子電池因其高安全性、高能量密度、簡單的電池結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢成為研究熱點.然而電極與電解質(zhì)的固固界面問題嚴重影響電池性能的進一步提升, 從而受到了廣泛關(guān)注.本文采用從頭算分子動力學對LiPON/ Li界面進行了模擬.研究發(fā)現(xiàn), 界面處原子互擴散現(xiàn)象明顯, 并形成薄界面層.相比LiPON體相結(jié)構(gòu), 界面層以Li為中心原子的Li[O2N2], Li[O3N], Li[O4]四面體局域結(jié)構(gòu)占比明顯減少, 并且界面層Li-O,Li-N, P-O和P-N的平均配位數(shù)均有所減小.由于界面層結(jié)構(gòu)和配位數(shù)的變化使得Li受到O, N的離子鍵作用更弱, Li離子擴散過程中受到的阻礙更小.這一點對于LiPON電解質(zhì)在實際電池應(yīng)用中的性能起到了積極促進作用.
近年來, 全固態(tài)薄膜電池已經(jīng)成為可充電固態(tài)鋰離子電池中的重要研究方向.全固態(tài)薄膜電池應(yīng)用領(lǐng)域廣泛, 可用于微芯片、智能卡、微機電系統(tǒng)、無線傳感器、以及植入式醫(yī)療器件等低能量設(shè)備的電力供給.LiPON電解質(zhì)因為具有良好的穩(wěn)定性,較低的電子電導(dǎo)率(< 10–12S/cm), 較寬的電化學窗口(5.5 V), 以及較低的制備成本[1?3], 成為目前全固態(tài)薄膜鋰離子電池中應(yīng)用最廣泛的一種固態(tài)電解質(zhì), 受到了眾多研究小組及企業(yè)的關(guān)注.
目前研究的LiPON具有非晶態(tài)和晶態(tài)兩種類型.非晶LiPON薄膜本質(zhì)上可認為是無定形的摻氮磷酸鋰.1997年, Yu等[2]利用射頻磁控濺射法, 以γ-Li3PO4為靶材, 在氮氣氣流下首次成功制備出LiPON.相比于靶材γ-Li3PO4, 這樣制備出LiPON的Li+電導(dǎo)率提升了兩個數(shù)量級, 可以達到3.3 × 10–6S/cm.除了最常用的射頻磁控濺射法制備LiPON薄膜外, 許多科研人員也探索出了其他多種制備技術(shù), 例如脈沖激光沉積[4]、離子束濺射[5]、氧化物化學氣相沉積[6]、以及原子沉積[7]等技術(shù)手段, 這不僅豐富了非晶LiPON薄膜的制備方法, 而且拓展了LiPON的應(yīng)用.2010年, Du等[8]用第一性原理的方法, 從理論上預(yù)測出了一種晶態(tài)LiPON(Li2PO2N), 空間群為Cmc21.這種晶體結(jié)構(gòu)中存在兩種四面體結(jié)構(gòu), P[O2N2]四面體和Li[O3N]四面體.由于鋰離子在四面體的中心位,而且結(jié)構(gòu)中沒有鋰空位, 所以鋰離子的擴散比較慢.2013年, Senevirathne等[9]在實驗上合成出這種材料, 并測得離子電導(dǎo)率約為10–7S/cm.雖然晶態(tài)LiPON離子電導(dǎo)率較低, 但其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、電化學性能穩(wěn)定、晶界處不易生成鋰枝晶, 非常有利于提高電池的安全性能.
用Li金屬作為電池的負極材料可以提升30%左右的電池能量密度[10].而LiPON優(yōu)異的穩(wěn)定性使其能夠與Li金屬很好地兼容, 但由于化學反應(yīng)和電化學反應(yīng), 仍然會形成很薄的一層LiPON/Li界面層[11?13].利用實驗手段研究界面處具有何種物理化學性質(zhì)比較困難, 因此本文利用從頭算分子動力學(AIMD)構(gòu)建和模擬非晶LiPON/Li界面和晶態(tài)LiPON/Li界面, 并研究這兩類界面的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和擴散性質(zhì).
首先構(gòu)造非晶LiPON與Li金屬的界面.構(gòu)造a-LiPON/Li界面的首要條件是得到合理的a-LiPON結(jié)構(gòu).實驗上比較常用的做法是利用射頻磁控濺射法, 通過控制氮氣氣流的流速可以得到不同分子式的a-LiPON, 它們之間的離子電導(dǎo)率存在一定的差別, 但差別不大, 都在10–6S/cm量級[14?20].因此, 本文只選取其中一種實驗上已經(jīng)合成并報道過的非晶Li2.5PO3.5N0.5作為研究對象.元素替換后,通過AIMD模擬和密度泛函理論(DFT)優(yōu)化后得到非晶結(jié)構(gòu).將bcc結(jié)構(gòu)的Li金屬用DFT方法優(yōu)化, 并截取其中比較穩(wěn)定的(100)面構(gòu)成表面結(jié)構(gòu),由于a-LiPON沒有特定的晶面, 因此選取三個特殊的面, 即形成N-P單橋鍵、雙橋鍵和三橋鍵的局域結(jié)構(gòu)分別暴露在表面.將Li(100)面與a-LiPON表面搭建為界面結(jié)構(gòu), 兩者的晶格失配小于5%.
晶態(tài)LiPON (Li2PO2O)空間群為Cmc21, 其結(jié)構(gòu)包含Li[O3N]和P[O2N2]兩種四面體結(jié)構(gòu).Li2PO2N的(100)面是由-P-N-P-構(gòu)成的鏈狀結(jié)構(gòu), 是其最穩(wěn)定面, 這一結(jié)論與表面能的計算結(jié)果一致[21].根據(jù)暴露在表面的原子的不同, 可以將Li2PO2N的(100)面分為Li, O暴露在表面和P, N暴露在表面兩種情況.因此選取Li2PO2N的(100)面與Li(100)面可以構(gòu)造出兩種界面.
本文采用的是基于密度泛函理論的VASP程序包[22?24], 對固態(tài)電解質(zhì)LiPON和金屬Li做結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 并對LiPON/Li界面做從頭算分子動力學模擬(AIMD).交換關(guān)聯(lián)泛函采用Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)形式的廣義梯度近似(GGA)進行描述[25,26], 電子波函數(shù)采用平面基波展開法, 截斷能取為450 eV.晶相LiPON與金屬Li在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時, 布里淵區(qū)積分采用的是Monkhorst-Pack特殊k點取樣法[27], 其中k-網(wǎng)格的分辨率取為2π × 0.025 ?–1, 能量和力的收斂判據(jù)分別為10–5eV和10–3eV/?.
對于非晶LiPON體相結(jié)構(gòu)和c-LiPON/Li界面結(jié)構(gòu)的AIMD計算, 為了模擬體相部分對界面的影響, 本文將界面兩端的原子固定(圖1中紅色虛線區(qū)域).非晶LiPON/Li界面結(jié)構(gòu)模型共有320個原子, c-LiPON/Li界面結(jié)構(gòu)模型共有384個原子.計算過程采用以Γ點為中心的1 × 1 × 1網(wǎng)格.在NVT系綜下, 使用Nosé-Hoover熱浴法[28], 時間步長設(shè)為2 fs, 能量收斂標準為10–4eV.由于室溫原子擴散較慢, 所以將體系分別升溫至1000 K加速原子擴散, 模擬了20 ps, 以研究界面層的形成及不同區(qū)域原子擴散差異.
實驗通過能譜儀觀察到界面附近由于電化學反應(yīng)發(fā)生原子互擴散, 形成界面層[11,12,29].為了驗證這個結(jié)果, 本文通過對原始界面模型采用AIMD模擬, 來研究界面附近的原子互擴散現(xiàn)象, 并根據(jù)原子互擴散范圍得到穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu).圖1 (a)—圖1(c)給出的是三種a-LiPON/Li(100)原始界面結(jié)構(gòu)在20 ps的AIMD模擬中, Li原子沿Z方向的統(tǒng)計分布.紅色點線圖統(tǒng)計的是Li金屬原子的分布, 原始界面結(jié)構(gòu)中Li金屬的原子分布表現(xiàn)出晶態(tài)結(jié)構(gòu)周期性的特征, 即一條條分立的峰.隨著模擬過程進行, 除了末端被固定的Li原子, 界面附近的Li原子會擴散到a-LiPON層.藍色點線圖統(tǒng)計的是a-LiPON層的Li原子分布, 由于是非晶結(jié)構(gòu), 所以Li原子的分布更加無序.可以觀察到a-LiPON層的Li原子同樣會擴散到Li金屬層, 而且由于Li金屬層對Li原子的擴散阻礙更小, 部分a-LiPON層的Li原子會擴散較快.為了能夠更好地理解元素分布和互擴散現(xiàn)象, 在圖中添加了輔助線.曲線交叉的部分近似認為是發(fā)生元素互擴散的范圍, 這個范圍作為后續(xù)研究界面性質(zhì)的界面區(qū)域.對于a-LiPON/Li(100)界面, 暴露在表面的局域結(jié)構(gòu)不同, 原子的擴散會略有差異, 綜合三種界面的結(jié)果可以確定出大約10 ?厚度的界面層.
圖1 (a)?(c) 三種a-LiPON/Li(100)界面沿Z方向的Li原子互擴散圖; (d), (e) 兩種Li2PO2N(100)/Li(100)界面沿Z方向的Li原子互擴散圖.灰色虛線表示原始的界面位置.結(jié)構(gòu)圖中的紅色虛線框標注的是固定的末端原子, 藍色虛線框標注的是形成的界面區(qū)域Fig.1.(a)?(c) Inter-diffusion of Li atoms along the Z direction of three a-LiPON/Li(100) interfaces; (d), (e) inter-diffusion of Li atoms along the Z direction of two Li2PO2N(100)/Li(100) interfaces.The gray dotted line indicates the original interface location.The red dotted frames in the structure diagram mark fixed terminal atoms, and the blue dotted frames mark the formed interface areas.
從圖1 (d)和圖1(e)可以看到, 在晶態(tài)Li2PO2N(100)/Li(100)界面同樣觀察到了類似的原子互擴散現(xiàn)象.Li2PO2N電解質(zhì)和Li金屬均為晶態(tài)結(jié)構(gòu),所以原始界面中Li原子沿Z方向呈周期性分立排布.隨著MD模擬過程, 界面附近會發(fā)生原子互擴散.除了固定的原子層外, Li2PO2N中僅界面附近一兩層的Li原子會發(fā)生明顯擴散, 離界面較深的Li原子仍保持晶態(tài)結(jié)構(gòu)的分布特征.因此, Li2PO2N(100)/Li(100)界面的Li原子分布沒有用多項式擬合.確定界面層的區(qū)域是結(jié)合了Li金屬層中的Li原子和Li2PO2N層中Li, P, O, N原子的擴散范圍, 最終得到7 ?左右的界面層用于后續(xù)研究.
對LiPON/Li界面進行模擬, 驗證了電解質(zhì)與電極之間會由于化學反應(yīng)或電化學反應(yīng)發(fā)生原子互擴散, 形成界面層.在實際電池體系中, 界面層的Li+電導(dǎo)率(σLi)會直接影響到鋰離子電池的性能.基于構(gòu)造的LiPON/Li界面, 本節(jié)采用AIMD模擬, 探究界面發(fā)生反應(yīng)后形成的界面層結(jié)構(gòu)對離子電導(dǎo)率的影響.
由于LiPON電解質(zhì)的Li+擴散性能較差, 且AIMD難以做長時間尺度的模擬, 因此本節(jié)對a-LiPON體相結(jié)構(gòu), 以及三種a-LiPON/Li(100)界面分別在800, 1000, 1200, 1400 K溫度下模擬來加速擴散, 再利用高溫的擴散數(shù)據(jù)推導(dǎo)出室溫的擴散系數(shù).根據(jù)模擬得到的Li+運動軌跡, 利用以下公式可以求得Li+的均方位移(mean square displacement, MSD):
其中 ?t為時間間隔,N為Li+數(shù)目,ri(t) 為 各 個Li+的運動軌跡.(1)式中有用到兩個平均以提高統(tǒng)計的精確度, 其中一個是對體系中所有Li+位移的平方取平均, 另一個是以不同時刻的Li+位置為原點, 然后對不同時刻的結(jié)果取平均.由于要取不同的時刻作為時間原點, 因此用于統(tǒng)計的模擬時間段需要體系足夠穩(wěn)定才能保證統(tǒng)計結(jié)果的準確性.
通常來說, 如果統(tǒng)計的樣本足夠多, 體系足夠穩(wěn)定, Li+的MSD與時間間隔 ?t之間應(yīng)該是線性關(guān)系.利用該線性關(guān)系的斜率就可以根據(jù)Einstein關(guān)系求出對應(yīng)體系在特定溫度下的擴散系數(shù).Einstein關(guān)系的具體形式如下:
其中,d為體系的維度, 本文研究的是三維體系, 所以d取3.由于LiPON體系的擴散比較慢, 直接利用Einstein關(guān)系求室溫擴散系數(shù)會有較大的誤差.而從圖2(a)—圖2(d)可以看到, 同一體系溫度越高則MSD斜率越大, 表示高溫下Li+擴散更快.而根據(jù)Arrhenius方程可知溫度和擴散系數(shù)之間有一定的函數(shù)關(guān)系, 利用這一關(guān)系就可以根據(jù)高溫的擴散系數(shù), 推導(dǎo)出室溫的擴散系數(shù).Arrhenius方程的具體形式如下:
其中,D0為系數(shù)項, 取決于材料自身的性質(zhì);Ea,k,T分別為擴散勢壘、玻爾茲曼常數(shù)和體系溫度.從(3)式可以看出logD與 1 /T之間存在線性關(guān)系,如圖2 (e)所示, 根據(jù)每個體系高溫下Li+的擴散系數(shù), 推導(dǎo)出室溫下Li+的擴散系數(shù), 即圖中虛線處對應(yīng)的擴散數(shù)據(jù).
圖2 (a)?(c)三 種a-LiPON/Li(100)界面和(d) a-LiPON在 不同高溫下Li+的均方位移(MSD); (e) a-LiPON和三種a-LiPON/Li(100)界面體系中溫度與Li+擴散系數(shù)(DLi)的關(guān)系.圖中灰色虛線為300 K對應(yīng)的位置Fig.2.(a)?(c) the three a-LiPON /Li(100) and (d) a-LiPON MSD of Li+ at different temperatures, (e) Arrhenius plot of Li diffusivity (DLi) as a function of temperature in a-LiPON and three kinds of a-LiPON/Li (100).The corresponding positions of 300 K are presented by dotted lines.
利用推導(dǎo)出的室溫Li+擴散系數(shù), 可以進一步根據(jù)Nernst–Einstein關(guān)系計算出室溫Li+電導(dǎo)率.公式的具體形式如下:
其中N為Li+數(shù)目,q為擴散離子的電荷量,k為玻爾茲曼常數(shù),V為體系總體積,T為體系溫度.利用(3)式和(4)式計算得到的Li+擴散系數(shù)(DLi)和電導(dǎo)率(σLi)總結(jié)在表1中.
表1 a-LiPON、三種a-LiPON/Li(100)界面和兩種Li2PO2N(100)/Li(100)界面的室溫Li+擴散系數(shù)(DLi)與電導(dǎo)率(σLi)Table 1.Li+ diffusion coefficient (DLi) and electrical conductivity (σLi) of a-LiPON, three a-LiPON/Li(100) interfaces and two Li2PO2N(100)/Li(100) interfaces at room temperature.
用同樣的方法計算Li2PO2N及Li2PO2N(100)/Li(100)界面的DLi和σLi, 但是從圖3 (a)可以看出Li2PO2N體相結(jié)構(gòu)的MSD并沒有明顯的線性關(guān)系.這是因為晶態(tài)Li2PO2N中所有Li都是以Li[O3N]四面體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在的, 且模擬的晶體是有限大小的完美晶體, 所以在有限的模擬時間內(nèi)很難觀察到明顯的擴散, 在實驗上測得Li2PO2N的σLi約為8.8 × 10–7S/cm[10].而由電化學反應(yīng)形成Li2PO2N(100)/Li(100)界面層在相同的高溫下可以發(fā)生顯著的Li+擴散, 其MSD具有明顯的線性關(guān)系.根據(jù)圖3 (d)可以推導(dǎo)出兩種Li2PO2N(100)/Li(100)界面室溫的DLi, 并進一步計算出電導(dǎo)率.在實驗中測量電化學阻抗譜發(fā)現(xiàn)[31], LiPON/Li界面的阻抗小于LiPON體相的阻抗, 而本文計算得到兩種界面的σLi約在10–3S/cm量級, 比Li2PO2N的σLi(實驗數(shù)據(jù)10–7S/cm量級)大得多.理論結(jié)果與實驗現(xiàn)象符合良好.
圖3 (a) Li2PO2N、(b), (c) Li2PO2N(100)/Li(100)界面在不同高溫下的MSD; (d)兩種Li2PO2N(100)/Li(100)界面體系中溫度與Li+擴散系數(shù)(DLi)的關(guān)系.圖中灰色虛線為300 K對應(yīng)的位置Fig.3.(a) Li2PO2N and (b), (c) Li2PO2N(100)/Li(100) MSD of Li+ at different temperatures.Arrhenius plot of Li diffusivity (DLi)as a function of temperature in two kinds of Li2PO2N(100)/Li(100).The corresponding positions of 300 K are presented by dotted lines.
計算結(jié)果表明a-LiPON/Li(100)界面和Li2PO2N(100)/Li(100)界面附近Li+擴散要比LiPON體相部分Li+擴散快得多, 而DLi與材料結(jié)構(gòu)息息相關(guān).因此統(tǒng)計界面附近局域結(jié)構(gòu)有何種特征, 能夠更好地理解界面Li+擴散性質(zhì)變化的原因.圖4表示的是a-LiPON中各類元素之間的徑向分布函數(shù)(RDF).由于原子之間的成鍵作用, 在鍵長附近的粒子數(shù)密度會比較大, 所以對于非晶體系的RDF,第一條峰的位置可以近似認為是原子之間的鍵長.界面由于化學反應(yīng)而非晶化, 所以可以根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù), 將第一條峰谷的位置作為判斷界面各類原子之間成鍵的截斷距離, P-O之間和P-N之間的截斷距離取1.8 ?, Li-O之間和Li-N之間的截斷距離取2.5 ?.
圖4 a-LiPON體系中各類原子之間的徑向分布函數(shù)(RDF)Fig.4.Radial Distribution Functions of a-LiPON.
Li+的擴散性質(zhì)與其鄰域的結(jié)構(gòu)特征有很大關(guān)系.圖5 (a)是以Li為中心原子, 統(tǒng)計a-LiPON體系和a-LiPON/Li(100)界面在截斷距離內(nèi)形成的Li[OxNy]局域結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的占比, 其中a-LiPON/Li(100)界面的統(tǒng)計結(jié)果是對之前構(gòu)造的三種界面局域結(jié)構(gòu)取統(tǒng)計平均.統(tǒng)計結(jié)果表明在體相a-LiPON中有20%以上的Li是在Li[O2N2], Li[O3N]或者Li[O4]四面體的中心位, 這些四面體中心的Li較難發(fā)生擴散, 而在a-LiPON/Li(100)界面受負極Li原子的作用, 這三種以Li為中心的四面體結(jié)構(gòu)占比明顯減小, 而受O, N影響比較小的局域結(jié)構(gòu)占比明顯更高, 所以計算得到界面附近的Li+擴散要比在體相a-LiPON中快得多.由于在體相Li2PO2N中所有Li都處于Li[O3N]四面體中心位, 所以Li+擴散比較困難, Li+電導(dǎo)率較差, 而Li2PO2N/Li界面附近Li+電導(dǎo)率變大必然也與Li鄰域的結(jié)構(gòu)變化有關(guān).圖5 (b)統(tǒng)計了以Li為中心原子Li2PO2N(100)/Li(100)界面中Li[OxNy]局域結(jié)構(gòu)的占比.根據(jù)暴露在表面的不同原子, 將界面分成了兩種, 圖5 (b)中表示的是對這兩種界面局域結(jié)構(gòu)做統(tǒng)計平均的結(jié)果.可以看出, 界面范圍內(nèi)Li[O3N]四面體的占比非常小, 由于Li負極對界面的作用使得四面體結(jié)構(gòu)會被分解為更小的局域結(jié)構(gòu), 因此Li+在界面擴散受到的束縛要小很多.
圖5 (a) a-LiPON體系與a-LiPON/Li(100)界面、(b) Li2 PO2N(100)/Li(100)界面, 以Li原子為中心的Li[OxNy]局域結(jié)構(gòu)統(tǒng)計圖Fig.5.Statistics of local structures (Li[OxNy]) of (a) a-LiPON and (b) a-LiPON/Li(100) interfaces.
實驗上通過Cryo-TEM對Li/LiPON界面進行研究[29], 發(fā)現(xiàn)LiPON和Li之間存在互擴散現(xiàn)象形成界面層, Li/LiPON界面從Li到LiPON之間結(jié)構(gòu)成分存在一個漸變的過程, 在Li負極這一側(cè)的界面主要成分為Li金屬和Li2O, 接著會出現(xiàn)Li3N, 到LiPON這一側(cè)界面主要成分為Li2O,Li3N和Li3PO4, 這些物質(zhì)均為LiPON的分解產(chǎn)物.LiPON/Li界面形成界面層后四面體結(jié)構(gòu)均被分解成了更小結(jié)構(gòu), 與我們的計算結(jié)果一致.
另外在表2中統(tǒng)計了體相a-LiPON, a-LiPON/Li(100)界面、體相Li2PO2N以及Li2PO2N(100)/Li(100)界面中陽離子和陰離子之間的平均配位數(shù).由于電解質(zhì)與Li負極之間原子互擴散, 使得界面Li+含量較大.在a-LiPON/Li(100)界面中Li-O,Li-N平均配位數(shù)分別為1.75和0.34, 小于對應(yīng)a-LiPON電解質(zhì)的Li-O平均配位數(shù)2.49和Li-N平均配位數(shù)0.50.在Li2PO2N(100)/Li(100)界面中Li-O, Li-N平均配位數(shù)分別為1.63和0.71, 同樣小于對應(yīng)Li2PO2N電解質(zhì)的Li-O平均配位數(shù)3和Li-N平均配位數(shù)1.界面處Li-O, Li-N的平均配位數(shù)更小表明界面附近的Li與O, N之間的離子鍵作用更弱, 所以Li+擴散更快.此外, 界面處的P-O, P-N配位數(shù)均小于對應(yīng)的LiPON電解質(zhì)中P-O, P-N配位數(shù), 表明P-O-N原子構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)隨著Li原子的互擴散會被分解為更小的局域結(jié)構(gòu), 使得Li+擴散過程受到的阻礙更小.
表2 LiPON體相與LiPON/Li界面中原子間的平均配位數(shù)Table 2.The average coordination number between atoms in LiPON bulk and LiPON/Li interface.
基于從頭算分子動力學模擬, 本文研究了a-LiPON/Li(100)界面和Li2PO2N(100)/Li(100)界面的局域結(jié)構(gòu)和Li+擴散性質(zhì).原始界面結(jié)構(gòu)會發(fā)生原子互擴散, 形成新的界面區(qū)域.界面層中以Li為中心原子的Li[O2N2], Li[O3N], Li[O4]四面體結(jié)構(gòu)占比明顯減少, 并且界面層中的Li-O, Li-N,P-O和P-N的平均配位數(shù)相比體相LiPON中均有所減小.正是由于界面層結(jié)構(gòu)和配位數(shù)的變化使得Li受到O, N的離子鍵作用更弱, Li+擴散過程中受到的阻礙更小.相比于體相LiPON電解質(zhì),界面層的Li+電導(dǎo)率更高(2—3個數(shù)量級).這一特性表明LiPON/Li的界面層的形成對于電池性能有著一定的正面影響.