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低能量密度和大功率密度的新型锂离子电池|极速快三计划
2021-01-15 [12037]
本文摘要:随着全球经济及社会的发展,人们对于能源的市场需求及用于日益增长。

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随着全球经济及社会的发展,人们对于能源的市场需求及用于日益增长。环境污染和化石能源短缺的问题日益明显,为了人类的可持续发展。谋求开发新能源和可再生资源迫在眉睫。太阳能和风能等新型能源虽然便捷洗手,但是由于其自身不受时空产于不均匀分布的特点容许在现阶段并无法普遍用于。

作为化学储能装置,锂离子电池以比功率低、能量密度大、寿命长、自放电率低和储藏时间宽等优点,被普遍应用于便携式电子设备、航天、军事装备及电动交通工具。目前,锂离子电池已逐步替代其他电池为主要的动力电池。

另一方面,由于近年来智能电网及大规模储能领域的发展对锂离子电池的能量密度和功率密度明确提出了更高的拒绝,这使得研发具备低能量密度和大功率密度的新型锂离子电池尤为重要。第一性原理计算方法即由头算数(abinitio)被广泛应用在化学、物理、生命科学和材料学等领域。它的基本思想是将多个原子包含的体系看作是由多个电子和原子核构成的系统,并根据量子力学的基本原理对问题展开最大限度的“非经验性”处置。它只必须5个基本常数(m0,e,h,c,kB)就可以计算出来出有体系的能量和电子结构等物理性质。

第一性原理计算出来可以确认未知材料的结构和基础性质,并构建原子级别的精准掌控,是现阶段解决问题实验理论问题和预测新材料结构性能的有力工具。并且,第一性原理计算出来不必须积极开展现实的实验,很大地节省了实验成本,现被普遍应用于锂离子电池电极材料的嵌脱锂机理探寻、蔓延能垒计算出来、结构稳定性、嵌锂容量机理研究等方面,为锂离子电池电极材料的制取和改性获取了有效地的理论指导。其中,在锂电领域,利用第一性原理计算出来为锂离子电池材料的设计获取的理论应用于主要集中于以下几个方面:1工作电压的计算出来锂离子映射电压是锂离子电池的一个最重要参数,而理想的材料是负极材料的电压平台充足低、负极材料的电压平台充足较低,才能获得较高的工作电压,进而为锂离子电池获取较高的能量密度。第一性原理可以通过计算出来材料基态的电子总能量计算出来出有平均值金字锂电力(averageintercalationvoltage,AIV),与实验测得的电压数值较为相似,其原理阐释如下,例如电极反应式:其开路电压可由如下公式计算出来扣除:其中,μcathode和μanode分别为锂原子在正负极材料中的化学势,z为反应过程中移往电子数,F是法拉第常数,△G为吉布斯(Gibbs)自由能。

在0K时,可近似于为△G≈△E,则公式1可用为:因此,只要计算出来反应前后的各物质的总能量,就可以利用公式(2)解法负极材料的平均值电压。第一性原理计算出来可以较为精确地预测材料的平均值金字锂电力,与实验测得的电压数值较为相似,如Zhou等2人通过计算出来得负极材料LiNiPO4的电压为5.1V,而实验测试值为5.1V-5.3V。Chen等3通过计算出来扣除负极材料LiFePO4的平均值电压为3.2V,其实验值为大约3.4V。

另外,Hassan等4利用第一性原理计算所获得的RuO2负极材料工作电压曲线,与实验中所取得工作电压曲线变化趋势定性的合乎。2电子传导性和离子扩散性倍率性能是指电池在一定时间内释放出其额定电容的电流值。

倍率性能越高的电池,释放出完全相同容量的时间则越高,这不利于电池较慢的充放电。材料的离子电导率和电子电导率联合影响着材料的倍率性能。

高倍率下的充放过程不仅必须较慢的离子蔓延,也必须较慢的电子传导。利用第一性原理计算出来的方法,可以使用NEB(Nudgedelasticband)和CI-NEB(AClimbingimagenudgedelasticband)的方法,对材料中锂离子的蔓延能垒展开计算出来,而蔓延能垒则对应着锂离子的蔓延能,也就是蔓延速率。蔓延能垒就越较低的材料,其蔓延速率越大,则适当的倍率性能则越高。

像大家在文献中所看见的诸如此类的蔓延能垒图5,都是通过第一性原理计算出来的方法展开计算出来的。N掺入石墨烯需要提高负极材料的锂离子蔓延速率,除了在实验中测出的实验值来检验外,也可以通过第一性原理计算出来来计算出来不作N掺入石墨烯时材料中锂离子的蔓延能垒,通过和特N掺入石墨烯后的复合材料的锂离子蔓延能垒展开对比来分析复合材料中蔓延能垒的减少否知道是引进N掺入石墨烯引发的。

3材料结构稳定性的计算出来安全性性能仍然是锂离子电池的一个最重要指标,这影响了电极材料和电解液的自由选择,我国曾经常出现过车载锂离子电池发生爆炸的事故,正是因为电池在用于过程中导致短路造成的。所以,必需自由选择结构和热稳定性皆较好的材料作为锂离子电池的电极材料。

在锂离子电池负极材料充放电循环中,在深度干锂时,负极材料可能会获释O2,这不仅不会消耗电解液,更加不会造成发生爆炸,导致根本性安全性问题。利用第一性原理计算出来,可以通过计算出来材料缺失的构成能和迁入能,来预测互为稳定性。

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例如HakimIddir等6基于第一性原理计算出来,通过计算出来Co空位的构成能和迁入能,预测了xLi2MnO3?(1?x)LiMO2的互为稳定性。Gao等7基于DFT和FPMD分析了Ti,V,Cr,Fe,Co,Ni,Zr和Nb等元素掺入Li2MnO3材料中的Mn对于材料性能的影响,通过定义O的反应焓,计算出来吉布斯自由能,来研究掺入后材料中O2分解的深浅程度。Ti-,V-,Cr-,Co-,Ni-和Zr-doped在含Li量y=1.5之前超过零点,因此,其掺入无法延期O2的获释。而Fe-和Nb-doped在Li去除量多达0.5时未有超过零点,指出其掺入可以诱导材料在反应中的O2的分解,从而使得材料的安全性性能获得提高,其理论计算出来的结果与实验掺入获得的结果完全一致。

4储锂容量的计算出来电极材料的容量是电极中十分最重要的性能,在第一性原理计算出来中,可以通过电极材料对锂原子的导电能来展开容量的分析。导电能的大小可以较为有所不同材料对锂原子的导电能力,导电能越大的材料,其导电锂原子的能力则就越强劲。但是,导电能大的材料,其容量不一定低。

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因为导电能越大,如果其之后导电锂原子后,导电能减少的速率相当大的话,那么这种材料的贮锂容量之后会低。如果导电能越大,当渐渐减少锂原子后导电能的减少速率也很陡峭时,这种材料就有可能享有较小的贮锂容量。锂原子有内聚能,也就是锂原子自身构成锂块体时所对应的能量。当锂原子在材料中的导电能高于内聚能时,这时锂原子偏向于构成锂块体,而仍然为电池的容量做到贡献,也就是说,当我们利用第一性原理计算出来获得材料的导电能高于锂块体的内聚能时,此时所对应的的贮锂容量则为该材料的理论储锂容量。

例如Wang等8利用第一性原理计算出来获得了(掺入)石墨烯与金属氧化物负极材料的反应产物Li2O包含的界面储锂容量,为金属氧化物在实验中所仔细观察到的额外容量的产生获取了机理的说明。但是,第一性原理计算出来在现阶段锂离子电池领域中的应用于也有局限性,因为实际电极材料的工作状态是在多种反应并存的条件下展开的,而通过第一性原理计算出来仿真的材料性能是在理想的平衡态条件展开的,这有可能导致计算出来值与实验值产生一定的偏差。但是,通过第一性原理计算出来获得的数值可以定性的协助实验工作者展开辅助分析,说明实验中不存在的一些机理问题,为锂离子电池电极材料的设计获取一定的协助。

最后,给大家展开一个非常简单的词汇科普—VASP。大家看见的在锂电领域第一性原理计算出来的文献中常常所看见的VASP一词,只不过是ViennaAb-intioSimulationPackage的简写,它是基于密度绿函理论并利用平面波赝势方法展开由头分子动力学和第一性原理计算出来电子结构计算出来的软件包,是目前材料仿真和计算出来材料科学研究中十分风行的商用软件。Vasp软件是由J.Furthmuller和G.Kresse首先研发和利用的,并在后期获得了大大的改版和完备,如今用于的Vasp软件包已非常成熟期。Vasp软件包具备以下优点:(1)它得出了周期表中完全全部元素的赝势,这些赝势早已经过充份的测试,构成了一个可用性十分低的赝势库。

(2)优化算法的构建(RMM-DISS,blockedDavidson和共轭梯度算法)效率高、稳定性好。(3)虽然没图形界面,但是用于文档详尽,入门慢。(4)所反对的计算机平台(单机,计算出来集群,超级标量计算机和超级向量计算机)十分普遍,完全在所有架构(Intel的Pentium系列、Athlon系列的CPU、DEC的Alpha机等等)的计算机器的运营效率都十分低。


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