陶瓷氧化物固态电解质的物理建模和基于HTML5的教学仿真软件开发

1、陶瓷/氧化物固态电解质的物理建模和基于HTML5的教学仿真软件开发18级物理系 胡家鸣18级物理系 林 欢指导老师：乐永康背景介绍：锂电池与固态电解质 物理建模蒙特卡洛模拟与结果分析（Python）模型理论预测HTML5仿真软件介绍操作演示与亮点测量电解质伏安特性测量电解质电导与温度的关系物理实验教案示例目录胡家鸣林欢外电路：电子流电解质：电子绝缘，离子导体背景介绍：Why固态电解质？Nat. Rev. Mater. 2 (2017) 16103背景介绍：固态电解质中的内源枝晶问题“漏电”+缺陷：Li+ + e- Li金属知己知彼，需要实验+理论来研究其整体机理！Energy Storage

2、Materials 10 (2018) 139159物理建模：固态电解质微观图像utE(T)pEcx + a/2x - a/2XeEaLi-晶格相互作用：扩散势垒 + 应力势能 aLi-Li相互作用：硬球排斥 + 金属键吸引 电子化学势低：Li保持离子态，近似为硬球排斥电子化学势高：电子占据Li-Li金属键成键态，产生吸引势 - 0 = 3(n - ne0)/D0 - eEm(Cm) = Uc 1 - exp-n/nmc只在窄带隙电解质、缺陷处有显著贡献缺陷：扩散势垒等物理量修正 Energy Storage Materials 10 (2018) 139159蒙特卡罗方法模拟流程每个格点的L

3、i+数密度n可连续取值，表示为Li+数的期望晶胞内Li+能量满足Boltzman分布，只取能量恰好达到跃迁势垒的Li+，其占比为nexp-Ur(r)，它们跃迁到扩散势垒顶每个格点的Li+数n取0或正整数，表示为Li+的个数产生每个Li+的随机热动能ET (满足Boltzman分布)：随机数0 R1 Ur(r) 每个时间步先计算所有格点跃迁数，再全部更新低能近似+量子图像完全涨落+经典图像否则，有1/2的概率跃迁到下一个邻近晶胞：随机数0 R3 1，若 R3 1/2，记录此次跃迁产生随机跃迁方向，计算总跃迁势垒: Ur(r) = Ut(r+r) - Ut(r) + e(r+r) - (r) -

4、E(r,n)c - E(r,n)m选择一个晶胞若跃迁目的地已达到最大离子数：跃迁无效，退回原晶胞总能随时间变化 离子数空间分布（亮：Li+数密度大；暗：Li+数密度小）离子数密度统计分布（x：Li+数密度；y：格点数）t=5t=92电势场低势场低能近似模拟结果开路边界+强电场+宽带隙总能随时间变化t=5t=92t=5t=92电势场高电势低电势 电势场完全涨落模拟结果短路边界+缺陷+宽带隙晶格周期束缚势场（强束缚）晶格间的空隙（弱束缚）无外加电场Li+分布空隙附近的势能场（1D）外加电场Li+分布无外加电场下体系总能量随时间变化外加电场下体系总能量随时间变化总能随时间变化 完全涨落模拟结果恒源边

5、界+缺陷+窄带隙Liu, X,et al. Nat. Mater. (2021)Krauskopf et al., Joule 3, 20302049LLZ-Ta固态电解质SEM图ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 1061710626离子数密度统计分布x：Li+数密度；y：格点数离子数空间分布（亮：Li+数密度大；暗：Li+数密度小）扩散系数 D = a2/(12s)exp(-Ur/kT )微观活化能Ur = Ecb + U0 (a/2)qi + Ut - Ecbq电导率 u = D/kT e-Ea/kT/Ti方向离子流：离子电流 = 浓度扩散 + 电迁

6、移 + 协同输运 + 形貌缺陷驱动扩散系数D 与电导率u 满足Nernst-Einstein 关系电导率具有Arrenius公式形式且活化能 扩散势垒模型理论预测Energy Storage Materials 10 (2018) 139159弱场近似 + 弛豫时间近似 + 宽带隙近似（忽略Li-Li吸引）下得到：和实验规律吻合背景介绍：锂电池与固态电解质物理建模蒙特卡洛模拟与结果分析（Python）理论预测HTML5仿真软件介绍操作演示与亮点测量电解质伏安特性测量电解质电导与温度的关系物理实验教案示例目录胡家鸣林欢HTML5程序结构 可调参数是否达到模拟次数上限是否达到循环次数模拟一步否否是

7、是模拟循环更新动画交互部分模拟部分背景介绍：锂电池与固态电解质物理建模蒙特卡洛模拟与结果分析（Python）理论预测HTML5仿真软件介绍操作演示与亮点测量电解质伏安特性测量电解质电导与温度的关系物理实验教案示例目录伏安关系 固定温度下，电流随时间演化趋于稳定，随电压变化关系较好地符合欧姆定律。电导率-温度关系 在dU = 0.8, Ut0= 5, Kc = 2.12条件下拟合结果为符合Arrenius公式的形式，符合理论推导和实验回顾理论推导的无缺陷电导率：微观活化能Ur = Ut - Ecbu = a2/(12skT)exp(-Ur/kT )背景介绍：锂电池与固态电解质物理建模蒙特卡洛模拟与结果分析（Python）理论预测-1pHTML5仿真软件介绍操作演示与亮点测量电解质伏安特性测量电解质电导与温度的关系物理实验教案示例目录教学演示实例1、实验前需要回答的问题：（1）为什么要研究固态电解质？（2）什么是输运问题？你能描述固态电解质中的输运图像吗？（3）简述Hu-Lin模型的基本假设和适用条件2、必做实验：（1）热弛豫：熟悉软件操作，观察热弛豫现象（电流、总能量、离子分布），探究热弛豫与温度、扩散势垒、体模量、模型尺度、边界条件、外加电压的关系；（2）测量伏安特性：在一定条件下，测量体系伏安特性（3）验证Arren