H2在二维共价有机骨架上吸附的蒙特卡罗模拟研究

使用巨正则蒙特卡罗方法预测H2分子在六种具有不同结构和组分的二维共价有机骨架材料(2D COFs)中的物理吸附行为.研究结果表明:(1)在所研究的温度和压力范围内,ILCOF-1表现出最优异的氢存储性能,是目前2D COFs中储氢量最高的材料之一;其它5种COFs的储氢量低于其它2D COFs中储氢量较高的COF-5,-8,-10和TP-COF,而与COF-1,-6和Pc-PBBA COF相差不多.(2)与3D COFs相比,本文所研究的所有COFs的储氢量均低于目前储氢量最高的COF-105和COF-108;除ILCOF-1外,其它5种COFs材料均低于COF-102和COF-103.根据模拟计算的结果,分析了表面积、孔直径和等量吸附热等因素对COFs储氢性能的影响.对COFs储氢能力的强化提出了一些建设性意见.     

Pd负载共价有机骨架COF-108上氢溢流机理的密度泛函理论研究

使用密度泛函理论研究了Pd负载共价有机骨架COF-108上的氢溢流机理,主要包括Pd_4团簇在COF-108上的各种沉积构型,H_2分子在Pd_4@COF-108中Pd_4团簇上的吸附和解离,H原子从Pd_4团簇向COF-108上的迁移以及H原子在COF-108表面的扩散.研究结果表明:1)Pd原子与HHTP或TBPM接触的数目越多,束缚能越大,沉积取向对束缚能的影响不大;2)H_2分子在Pd_4团簇上的解离过程是自动进行的,满足氢溢流发生的条件;3)只有位于Pd_4团簇桥位上的H原子能够迁移到基底表面上,迁移过程为吸热反应,稳定性较差,这表明H原子将在基底表面进一步扩散;4)过渡金属Pd的引入可大大降低H原子在基底表面的扩散势垒,使H原子在基底表面的扩散更容易进行.这些研究结果有助于理解氢溢流对COFs储氢性能影响的微观机理,进而为实验上定向制备性能优异的COFs基底材料提供有益指导.     

基于材料基因组方法的锂电池新材料开发

近年来,在锂二次电池新材料的研发过程中逐渐建立了基于材料基因组思想的高通量计算理论工具与研究平台.在该平台上,通过将不同精度的计算方法组合,实现了基于离子输运性质的材料筛选;通过将信息学中数据挖掘算法引入高通量计算数据的分析,证实了材料大数据解读的可行性.上述平台实现了在锂电池固体电解质的高通量筛选、优化和设计上进行新材料研发的示范应用,通过高通量计算筛选获得了两种可用于富锂正极包覆材料的化合物Li_2SiO_3和Li2SnO_3,有效改善了富锂正极的循环稳定性;通过对掺杂策略的高通量筛选,获得了提高固体电解质β-Li_3PS_4离子电导率和稳定性的方案;通过高通量结构预测设计了全新的氧硫化物固体电解质LiAlSO;并在零应变电极材料结构与性能的构效关系研究中进行了大数据分析的尝试,分析了零应变电极材料的设计依据.上述材料基因组方法在锂电池材料研发中的应用为在其他类型材料研发中推广这种新的研发模式提供了可能.     

锂电池正极材料Li(Co,Ni)O2化合物的第一性原理研究

锂离子电池以其高能量存储密度和优良的循环性能而受到广泛关注, 尤其是其正极材料成为储能材料领域的研究热点.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对LiCoO2,LiNiO2和Li(Co0.5Ni0.5)O2化合物的晶体结构、电子结构、化学键合特性进行了研究. 结果表明：Li(Co0.5Ni0.5)O2化合物中主要是氧和过渡金属之间成键, 锂原子对晶体总态密度贡献很少. Ni/Co混合后将导致Li(Co0.5Ni0.5)O2中Co的3d轨道和O的2p轨道之间成键得以加强.     

锂离子电池正极材料Li_2MnO_3稀土掺杂的第一性原理研究

掺杂是锂离子电池电极材料优化改性的一种有效的方法.稀土元素因其具有高的电子电荷、大的离子半径以及强的自极化能力,成为掺杂改性的重要选择.本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了稀土元素(La, Ce, Pr, Sm)掺杂的锂离子电池正极材料Li_2MnO_3的性质.通过稀土元素的掺杂, Li_2MnO_3材料的晶格常数和晶胞体积都有不同程度的增大.由于稀土原子的价态不同,导致掺杂后的Li_2MnO_3的电子结构性质不同. La掺杂的Li_2MnO_3表现出金属性,而Ce, Pr, Sm掺杂的结构为半导体性质,但带隙与未掺杂情况下相比有所减小. Li_2MnO_3中的Li离子迁移在La和Ce掺杂后展示出复杂的能垒变化.在远离稀土离子处,Li离子迁移势垒比未掺杂时减小,但在靠近稀土离子处则表现为势垒变化的多样性.当Li离子在离稀土离子最近的位置处进行迁移,势垒有明显的增加,这一结果与稀土离子周围的局域结构变化大密切相关.     

锂原子修饰硼原子链团簇的结构和储氢性能研究

采用密度泛函方法对锂原子修饰线型硼原子链团簇Li_2B_n(n=2~8)的结构及其储氢性能进行理论研究.结果显示,Li原子可键合于硼链团簇的两端,氢能以分子形式吸附在Li原子周围,每一个Li原子最多可吸附4个氢分子,氢分子的平均吸附能为2.020~2.832 kcal.mol~(-1).其中Li原子修饰B2小团簇的质量储氢分数最大,为31.24 wt%,表明在常温常压条件下它有可能成为一种潜在的储氢媒介.     

锂离子电池正极材料Li_2FeO_2的电子结构性质和Li扩散

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了锂离子电池正极材料Immm-Li_2FeO_2的声子谱、电子结构性质和Li扩散系数并与Li_2MO_2 (M=Co, Ni, Cu)材料进行对比.计算结果显示, Immm-Li_2FeO_2材料具有结构稳定性,计算结果呈铁磁性,能带结构具有半金属的特征. Fe离子外层d电子呈低自旋态,自旋极化P=8.01%.利用分波态密度分析了自旋向上和自旋向下的电子能带结构.此外,采用微动弹性带方法计算了各个方向上Li扩散的势垒,结果表明Li离子比较容易先进行c轴方向的迁移,迁移势垒为0.1 eV;然后再沿ab轴方向迁移,迁移势垒为0.21 eV,而沿a轴方向迁移的势垒为0.39 eV.这些势垒值比其他的Li_2MO_2 (M=Co, Ni, Cu)材料中的势垒值小,也比其他Fe基Li离子电池正极材料中的势垒值更低,意味着Li_2FeO_2中的Li离子将有更高的扩散系数,这对Li_2FeO_2作为正极材料具有重要的意义.     

甲氧基在Ir(111)表面吸附的密度泛函理论研究

本文采用第一性原理和周期平板模型相结合的方法,对甲氧基在Ir(111)表面top,bridge,fcc和hcp位的吸附模型进行了构型优化、能量计算、Mulliken电荷布居分析以及差分电荷密度计算.结果表明,甲氧基通过氧原子与金属表面相互作用时,垂直吸附在fcc位是最有利的吸附构型,吸附能为2.26eV,此时电子从金属表面向甲氧基转移.吸附过程中C-O键振动频率发生红移,表明在该表面C-O键容易被活化.结合差分电荷密度分析表明,吸附时CH3O中氧的2p原子轨道和铱的dz2原子轨道相互作用形成σ键.     

富锂正极材料在全固态锂电池中的研究进展

开发高能量密度、长循环寿命、低成本和高安全性的全固态锂电池是发展下一代锂离子电池的重要方向之一.富锂层状氧化物正极材料由于阴阳离子协同参与氧化还原反应,可以提供更高的放电比容量(>250 mAh/g)和能量密度(>900 Wh/kg),将其应用于全固态锂电池中有望推动锂离子电池能量密度突破500 Wh/kg的中长期目标.然而,富锂正极材料的电子导电性差、阴离子氧的不可逆氧化还原反应以及循环中的结构相变,导致该材料在电化学循环过程中存在初始库仑效率低、循环稳定性差和电压衰退等问题.此外,富锂正极材料的工作电压较高(>4.5 V vs.Li/Li⁺),使正极/电解质之间不仅面临常规的界面化学反应,释放的氧还会加剧界面的电化学反应,对正极/电解质的界面稳定性提出了更高的要求.因此,富锂正极材料的本征特性和富锂正极/电解质间严重的界面反应极大限制了富锂正极材料在全固态锂电池中的应用.本文首先详细阐述了富锂正极材料在全固态锂电池中的失效机制,其次综述了近年来富锂正极材料在不同固态电解质体系下的研究进展,最后总结和展望了富锂全固态锂电池未来的研究重点和发展方...     

锂电池正极材料Li(Co,Ni)O2化合物的第一性原理研究

锂离子电池以其高能量存储密度和优良的循环性能而受到广泛关注, 尤其是其正极材料成为储能材料领域的研究热点.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对LiCoO2,LiNiO2和Li(Co0.5Ni0.5)O2化合物的晶体结构、电子结构、化学键合特性进行了研究. 结果表明：Li(Co0.5Ni0.5)O2化合物中主要是氧和过渡金属之间成键, 锂原子对晶体总态密度贡献很少. Ni/Co混合后将导致Li(Co0.5Ni0.5)O2中Co的3d轨道和O的2p轨道之间成键得以加强.     

石墨烯吸附Li团簇的第一性原理计算

构建了单层六方石墨烯超晶胞结构,以吸附不同尺寸的Li团簇,Li:C摩尔比例皆为1:6.采用基于密度泛函理论的第一性原理,计算了其态密度、差分电荷密度、能带,分析了Li团簇与石墨烯吸附前后的电荷分布情况及Li-C成键类型,二者之间的电荷分布决定了两者的相互作用.使用热力学的方法及成核机制进行分析,得出成核的可能性与团簇尺寸的关系,研究了一定浓度下的锂在石墨烯上的成核问题.相应的计算结果有助于理论上深入理解锂电池储能机理.     

密度泛函理论研究碱金属原子在完美氧化镁(001)表面的吸附

基于平面波赝势法的密度泛函理论系统地研究了孤立碱金属原子(锂、钠、钾、铷、铯)在完美氧化镁(001)表面的吸附. 锂在氧位表面上的吸附能是0.72 eV,大约是其它碱金属的3倍. 锂和表面氧之间较强的相互作用主要是来源于共价键的作用,这可由态密度和差分电荷密度的分析所证实. 讨论碱金属在MgO(001)表面吸附的成键机理.     

锂离子电池负极材料CuSn的Li嵌入性质的研究

使用基于混合基表示的第一原理赝势法，研究了锂离子电池非碳类负极材料CuSn的Li嵌入时的形成能以及相应的电子结构.还给出了Li嵌入时的体积变化，能带结构、电子态密度以及电荷密度分布等性质, 并讨论了CuSn作为负极材料的特点.计算发现，Cu-Sn化合物在闪锌矿结构时，Li嵌入主体材料时的嵌入形成能大致在3.5eV附近. 关键词： 锂离子电池 负极材料 CuSn 电子结构     

锂原子修饰碳原子链团簇的结构和储氢性能研究

利用密度泛函理论研究锂原子修饰线型碳原子链团簇Li2Cm(m=2—8)的结构及其储氢性能. 结果表明, Li原子可键合于碳链团簇的两端,Li原子本身不发生团聚,氢在Li2Cm (m=2—8)中能以分子形式吸附,每一个Li原子最多可吸附5个氢分子,氢分子的平均吸附能为0.460 ~ 2.276 kcal.mol-1. 其中Li原子修饰C2团簇的质量储氢分数最大,为34.72 wt%,表明了它在常温常压条件下作为储氢材料的可行性.     

无锂助熔剂B_2O_3对Li_(1.3)Al_(0.3)Ti_(1.7)(PO_4)_3固体电解质离子电导率的影响

采用固相法制备锂离子电池用固体电解质磷酸钛锂铝Li_(1.3)Al_(0.3)Ti_(1.7)(PO_4)_3(LATP),研究了不同烧结温度以及助熔剂对LATP固体电解质离子电导率的影响.采用X射线衍射、能谱分析、扫描电镜和交流阻抗等方法,研究样品的结构特征、元素含量、形貌特征以及离子导电性能.结果表明,在900?C烧结可以获得结构致密、离子电导率较高的纯相LATP陶瓷固体电解质.与添加助熔剂Li BO2的样品进行对比实验发现,采用B_2O_3代替LiBO_2作为助熔剂也可以提高烧结样品的离子电导率,并且电解质的离子电导率随助熔剂添加量的增大,先增大后减小,其中添加质量百分比为2%的B_2O_3的样品具有最高的室温离子电导率,为1.61×10~(-3)S/cm.     

Li含量对Li3xLa((2/3)–x?(1/3)–2x)TiO3固态电解质表面稳定性、电子结构及Li离子输运性质的影响

Li_3xLa₍(2/3)–x^?(1/3)–2x)TiO₃(LLTO)是一类颇具前景的锂离子电池固态电解质.本文采用第一性原理结合分子动力学方法对贫锂相和富锂相两种类型的LLTO表面进行研究,分析表面Li含量对其稳定性、电子结构及Li离子输运性质的影响.结果表明,具有La/O/Li-原子终端的(001)面为最稳定晶面.对于LLTO(001)面,当贫锂相/富锂相终端Li含量为0.17/0.33,0.29/0.40,0.38/0.45时,其表面结构更为稳定.电子结构分析表明,随着Li含量的增大,不论是贫锂相还是富锂相,其(001)表面均发现金属至半导体的转变.Li离子输运性质的研究结果表明,贫锂相和富锂相LLTO(001)表面均具有沿ab平面的二维扩散通道,且当终端Li含量分别达到0.38和0.40时具有最大的Li离子扩散系数及最低的Li离子扩散能垒,最低扩散能垒分别为0.42 eV和0.30 eV.因而,改变终端Li含量有利于提高LLTO(001)表面稳定性、打开表面带隙、改善Li离子迁移性能,这有助于...     

锂原子修饰碳原子链团簇的结构和储氢性能研究

利用密度泛函理论研究锂原子修饰线型碳原子链团簇Li2Cm(m=2-8)的结构及其储氢性能.结果表明,Li原子可键合于碳链团簇的两端,Li原子本身不发生团聚,氢在Li2Cm(m=2-8)中能以分子形式吸附,每一个Li原子最多可吸附5个氢分子,氢分子的平均吸附能为0.460~2.276 kcal·mol-1.其中Li原子修饰C2团簇的质量储氢分数最大,为34.72 wt%,表明了它在常温常压条件下作为储氢材料的可行性.     

Li_(2/3)H_(1/3)IO_3多晶的离子电导

文献[1]报道了在 LiIO3-HIO3 体系中存在一个新的化合物2LiIO3·HIO3(Li_(2/3_H_(1/3)IO_3).它与a-LiIO3晶格常数的差异引起了晶格畸变.通过电导的研究,可以揭示离子传导对结构参量的敏感特性,井对这种材料作为固体电解质应用作出估价.本文还研究了文献[2—4]报道的Li_(1-x)Mg_     

(LiN3)n(n=1～2)团簇的密度泛函研究

用密度泛函理论(DFT)的杂化密度泛函B3LYP方法在6-31G*基组水平上对(LiN3)n(n=1～2)团簇各种可能的构型进行几何结构优化,预测了各团簇的最稳定结构.并对最稳定结构的振动特性、成键特性和电荷布局等性质进行了理论研究.结果表明,LiN3团簇最稳定构型为直线构型;(LiN3)n(n=1～2)团簇中N-N键长在0.1146～0.1203 nm之间,N-Li键长在0.1722～0.1987 nm之间;Li原子的自然电荷在0.708 e～0.907 e之间,N原子的自然电荷在-0.896 e～0.208 e之间.     

基于BC3NT的混合系锂空气电池正极第一性原理研究

文章采用第一性原理,利用掺杂硼的碳纳米管(BC₃NT)容易产生拓扑缺陷的特点,将其用作混合系锂空气电池正极材料,研究了BC₃NT拓扑缺陷电子性质及氧分子吸附.结果表明:BC₃NT产生的拓扑缺陷使得氧气在纳米管外表面吸附更加稳定,且缺陷环越大,吸附越稳定.七元环缺陷、八元环缺陷分别会使氧气在纳米管外表面发生半解离吸附和完全解离吸附,有利于氧还原反应的发生;通过布居分析电荷转移进一步验证了缺陷环越大,转移电荷越多,吸附越稳定. BC₃NT能增强对氧分子的解离吸附能力,有利于氧还原反应的进行.该材料适合用作混合系锂空气电池正极,有利于提高其性能.