案例背景
可充电镁离子电池是解决未来大型移动设备和大型静态设备电能存储需求的有潜力的技术方案。镁是地球上丰富的资源之一，相对于稀缺的锂资源，镁的供应更加可持续及可靠。其次，镁离子电池具有潜在的高能量密度和高功率输出能力。相比于传统的锂离子电池，镁离子电池除了能实现更高的能量密度外，兼具更高的安全性和稳定性。然而可充电镁离子电池的研究目前还比较有限。尽管镁作为电池材料具备潜在优势，但挑战仍然存在，如电解液、电极材料和电池反应机制等方面的问题需要深入探索。然而，随着对可持续能源和高能量密度存储需求的增加，对可充电镁离子电池的研究也逐渐引起了人们的关注。在本案例中，作者研究了镁钪硫化物（MgSc2S4）和镁钪硒化物（MgSc2Se4）作为固态电解质的结构、力学和电子性质，这项研究旨在为未来改进镁电池、替代锂电池提供有价值的信息，并为研究人员深入探索镁电池铺平道路。
建模与计算方法
作者在MedeA InfoMaticA中搜索了MgSc2S4晶胞；而后在MedeA Environment中将MgSc2S4的S替换为Se原子，从而构建了MgSc2Se4结构，空间群为Fd-3m (227)；采用MedeA VASP模块中GGA-PBE方法对两种结构进行优化；结合MedeA MT和MedeA Phonon分析了材料的力学性质和声子性质，并对结构稳定性进行了研究。截断能500 eV，K点：5×5×5，力收敛标准为0.01 eV/Å。
结果与讨论
3.1 几何结构
图1 (a) MgSc2S4；(b) MgSc2Se4的几何结构
表1 MgSc2S4和MgSc2Se4结构的晶格参数和生成焓
作者先通过MedeA Environment 创建了MgSc2S4、MgSc2Se4晶胞（图1），并利用MedeA VASP进行了结构优化，优化好后结构的晶格参数和生成热展示于表1当中MgSc2S4和MgSc2Se4的结构，每个结构都有56个原子，都是面心立方结构，空间群为Fd-3m (227)，其中晶格参数满足 a = b = c 和 α = β = γ = 90°。在这些结构中，Mg原子占据8a四面体位点；Sc原子占据16d八面体位点；S和Se原子各自形成一个笼状结构，并占据32e位点。两结构的生成焓均为负值，表示两材料在结构上具有稳定性。
3.2 力学性质分析
表2弹性常数、模量和Pugh（B/G）比率
作者利用MedeA MT 研究了MgSc2S4和MgSc2Se4的力学性质。计算得出了两晶胞的弹性常数、体模量、剪切模量、杨氏模量、Pugh（B/G）比率（表2）。体积模量B衡量了材料对应力引起的体积变化的抵抗程度，剪切模量C‘能表示材料的力学稳定性，负值代表材料不稳定，Pugh（B/G）比率能衡量材料的延展性。如果B/G > 1.75，则结构称为延性，否则为脆性。MgSc2S4和MgSc2Se4的B/G均大于1.75，说明两结构都具有延展性；并且两结构的体模量B、剪切模量C‘以及弹性常数C44均为正值，表明MgSc2S4和MgSc2Se4结构都满足力学稳定性。
3.3 声子性质
图2 (a) MgSc2S4；(b) MgSc2Se4的声子色散曲线
作者在使用MedeA Phonon 计算MgSc2S4和MgSc2Se4的声子性质后，输出了声子色散曲线（图2）。声子在物理学和工程学中都占据非常重要的地位，因为声子可以确定固体的物理性质，如电导率、热膨胀和振动稳定性。若声子色散曲线中，具有负频率，即虚频的话，则表示结构具有振动不稳定性，反之则代表结构稳定。声子模式分为两种：光学声子和声学声子。光学声子出现在较高的频率，由拉曼散射确定，而声学声子出现在较低的频率，是通过布里渊散射技术进行测量的。图2显示，在这两个结构中，没有发现虚频，这表明两结构在振动上是稳定的。并且，结构在Γ方向上也表现出稳定性，这与计算的力学稳定性相对应。
3.4 态密度分析
图3 (a) MgSc2S4；(b) MgSc2Se4的态密度图
通过分析具有相同组成的结构的态密度（DOS）也可以用来模拟它们的稳定性趋势，在Ef处具有最高态密度的结构分别被认为是不稳定的。因此作者利用MedeA VASP 计算了MgSc2S4和MgSc2Se4的态密度，如图3所示，DOS显示了每个原子的贡献以及总的态密度，也可以通过测量带隙来确定这些结构是金属、半导体还是绝缘体。研究发现MgSc2S4和MgSc2Se4两结构的态密度都没有穿过费米能级，表示结构均具有稳定性。直接带隙分别为1.56 eV和1.09 eV，这表明这两个结构都是半导体。
总结与展望
本案例中作者使用DFT方法研究了MgSc2S4和MgSc2Se4的结构、力学和电子性质。通过结构优化得到了两结构最优晶格参数，发现两结构都是具有Fd-3m (227)空间群的立方晶体结构。生成焓数据表明两结构都是稳定的。计算得到的弹性常数均为正值，并满足立方结构的力学稳定性条件。声子色散显示出MgSc2S4和MgSc2Se4结构在布里渊区方向（Γ方向）上没有虚频，因此两结构都具有振动稳定性。态密度（DOS）显示出MgSc2S4和MgSc2Se4在费米能级处分别具有1.56 eV和1.09 eV的直接带隙，表明这两个结构都是半导体。本案例在Mg离子电池固态电解质的研究中具有启蒙作用。
参考文献：
DOI：10.1088/1742-6596/2298/1/012009
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