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     

Li嵌入Mg2Ge的反应次序和电子结构变化

Mg2Ge有望成为新的锂离子电池负极材料.使用基于平面波展开的第一性原理赝势法,计算并得到了Li嵌入Mg2Ge负极材料时的反应次序.Li首先占据其中的间隙位置,占满间隙位置后随着嵌Li量的进一步增加,Li将逐步替位Mg2Ge中一半的Mg位置,直到生成Li2MgGe.计算结果表明,在整个嵌Li过程中主体材料的体积先膨胀后收缩.体积胀缩量很大,这是导致Mg2Ge作为锂离子电池电极材料循环性能较差的重要原因.对材料电子结构的分析表明,随着Li嵌入量的增加,主体材料发生了从半导体性到金属性、又到半金属性的转化.     

Li嵌入Mg2Ge的反应次序和电子结构变化

Mg₂Ge有望成为新的锂离子电池负极材料.使用基于平面波展开的第一性原理赝势法,计算并得到了Li嵌入Mg₂Ge负极材料时的反应次序.Li首先占据其中的间隙位置，占满间隙位置后随着嵌Li量的进一步增加，Li将逐步替位Mg₂Ge中一半的Mg位置，直到生成Li₂MgGe.计算结果表明，在整个嵌Li过程中主体材料的体积先膨胀后收缩，体积胀缩量很大，这是导致Mg₂Ge作为锂离子电池电极材料循环性能较差的重要 关键词： 锂离子电池 2Ge')" href="#">Mg₂Ge 反应次序 电子结构     

锂离子电池电极材料的第一性原理研究进展

文章综述了第一性原理计算在锂离子电池电极材料模拟与设计方面的研究进展.电极材料的研究包括电极材料的电子结构和电子导电性的研究,嵌锂电位、锂离子输运特性、嵌锂过程中局部结构弛豫与相变以及材料表面特性研究等方面,第一性原理计算在上述诸方面的研究都取得了一定的进展.这些理论上的研究成果,可以帮助人们加深对材料性能与机理的理解,同时对材料的设计也具有指导意义.     

锂掺杂氧化锌复合缺陷电子结构的杂化密度泛函研究

利用第一原理计算以及杂化密度泛函方法研究了锂掺杂氧化锌的各种缺陷态的电子结构,并通过缺陷形成能考察其在不同气氛中的能量稳定性. 计算结果表明,在通常的气氛条件下,锂离子占据间隙位置和锂离子替换锌离子形成的复合缺陷具有最低的形成能. 锂掺杂氧化锌中,复合缺陷对的形成使氧化锌很难实现p型导电. 然而,当气氛从富锌环境转变到极端氧环境时,锂替代锌离子的缺陷将更加稳定,其形成能将低于锂间隙和锂替代锌复合缺陷的形成能. 因此,锂掺杂氧化锌可以通过在氧气氛中生长,或在富含氧气气氛中退火得到有效的p型电导.     

石墨嵌锂的结构转变和弹性性质计算研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法，计算了锂离子电池石墨负极在嵌Li过程中形成石墨嵌层化合物LixC6(0≤x≤1)的形成能、嵌锂平台、晶体结构、电子结构和弹性性质的变化规律。结果表明，随着嵌Li量x增加，LixC6的体系总量能逐渐降低，形成能逐渐增大，嵌Li反应逐渐变得困难；计算得到石墨的嵌Li电位逐渐降低，这与实验测得的充放电曲线具有良好的一致性。石墨嵌Li导致碳层发生滑移，晶胞体积逐渐增大，当x为1时晶胞体积增大约12.75%。随着x增加，LixC的费米能态密度几乎呈现增大趋势，有利于增强电子导电性。随着x增加，平行于碳平面的杨氏模量Ea和Eb都呈现小幅下降趋势，而垂直于碳平面的杨氏模量Ec呈现大幅度增加趋势，导致石墨刚性逐渐增大，结构稳定性变差。     

石墨嵌锂的结构转变和弹性性质计算研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,计算了锂离子电池石墨负极在嵌Li过程中形成石墨嵌层化合物Li_xC_6(0≤x≤1)的形成能、嵌锂平台、晶体结构、电子结构和弹性性质的变化规律.结果表明,随着嵌Li量x增加,Li_xC_6的体系总量能逐渐降低,形成能逐渐增大,嵌Li反应逐渐变得困难;计算得到石墨的嵌Li电位逐渐降低,这与实验测得的充放电曲线具有良好的一致性.石墨嵌Li导致碳层发生滑移,晶胞体积逐渐增大,当x为1时晶胞体积增大约12.75%.随着x增加,Li_xC_6的费米能态密度几乎呈现增大趋势,有利于增强电子导电性.随着x增加,平行于碳平面的杨氏模量Ea和Eb都呈现小幅下降趋势,而垂直于碳平面的杨氏模量Ec呈现大幅度增加趋势,导致石墨刚性逐渐增大,结构稳定性变差.     

锂离子电池硅基负极材料嵌锂行为的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,计算不同数量的锂离子引起的硅材料晶体结构的变化以及在嵌锂过程中形成Li_xSi(x=1、2、2.4、4.4)合金相的形成能与电子结构.采用LST/QST方法计算过渡态,模拟合金体相中的锂离子迁移过程.计算结果表明,随着嵌锂数量的增加,硅晶胞的体积在不断增大;Li_xSi合金相的形成能为负值,表明在嵌锂过程中锂离子和硅原子可以自发形成这些合金相,其中Li₇Si₃合金最容易形成;随着嵌锂量的增加,锂离子在费米能级处s轨道提供的电子数逐渐增加,锂硅合金在费米能级处的电子数量呈增大趋势,表明锂硅合金的导电性越来越优;常温下Li₂Si体相中很难直接形成锂离子空位,但锂离子空位的迁移过程很容易发生.     

第一性原理计算研究黑磷嵌锂态的动力学性能

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对锂离子电池负极材料黑磷在嵌锂过程中的产物LiP5,Li3P7以及LiP的晶体结构与电子结构进行了研究与分析．通过计算这几种材料的电子结构,发现黑磷嵌锂后的这几种相均为半导体能带结构,其带隙均比黑磷嵌锂前的带隙大,表明黑磷嵌锂后的电子电导性能降低了．利用弹性能带方法模拟了Li离子在LiP5,Li3P7和LiP材料中的扩散,从理论上得到了Li离子的扩散势垒,并与其他电极材料进行了比较,发现Li离子在各种嵌锂态的材料中都能够比较快速的扩散．计算结果表明,Li在LiP5中的扩散系数大约为10^-4cm2／s,扩散通道是一维的;Li在Li3P7中的扩散系数为10^-7-10^-6cm2／s,扩散通道是三维的;Li在LiP中的扩散系数为10^-8-10^-5cm2／s,扩散通道是三维的．     

4A碳纳米管及相关结构的嵌锂特性(英文)

碳纳米管独特的一维结构和强烈的卷曲效应为外来原子提供了理想的嵌入通道。本文全面总结了近年来我们对直径仅为4A的三种单壁碳纳米管嵌锂特性的密度泛函研究工作。我们具体讨论了体系嵌锂后的结构、能量、电子、电化学等特性。由于这些超小直径的碳纳米管最初合成于沸石晶体的纳米管道,我们也讨论了碳纳米管?沸石晶体复合体系的嵌锂特性。另外,我们还研究了由(5,0)和(14,0)碳纳米管组成的双壁碳纳米管体系的嵌锂特性。我们的理论计算表明,超小直径碳纳米管及相关结构作为锂离子电池负极材料具有很好的应用前景。     

InSb的Li嵌入电压轮廓曲线从头计算

InSb是很有应用前途的Li离子电池非碳类负极材料. 使用基于密 度泛函理论的第一原理赝势法，计算了InSb 在Li嵌入时的125种不同情况下的总能、形成能 以及平衡体积等，进而参考电压轮廓实验曲线，筛选出了若干条理论上可能的反应路径，得到了Li嵌入时的电压轮廓曲线. 结果表明，从体InSb相到Li＿3Sb相之间没有中间经历五个相及五个相以上的反应路径；中间经历一个相的最可能反应过程为Li+In＿4Sb＿4→Li＿1In＿4Sb＿4,11Li+Li＿1In＿4Sb＿4→Li＿12Sb＿4+4In；中间经 历四个相的仅有一条反应路径：Li+In＿4Sb＿4→Li＿1In＿4Sb＿4,2Li+Li＿1In＿4Sb＿4→ Li＿3In＿4Sb＿4,4Li+Li＿3In＿4Sb＿4→Li＿7In＿3Sb＿4+In,3Li+Li＿7In＿3Sb＿4→Li＿10In＿2Sb＿4+In,2Li+Li＿10In＿2Sb＿4→Li＿12Sb＿4+2In. 关键词： InSb Li嵌入 电压轮廓曲线 从头计算     

Intercalation of graphite and hexagonal boron nitride by lithium

Although graphite and hexagonal form of BN (h-BN) are isoelectronic and have very similar lattice structures, it has been very difficult to intercalate h-BN while there are hundreds of intercalation compounds of graphite. We have done a comparative first principles investigation of lithium intercalation of graphite and hexagonal boron nitride to provide clues for the difficulty of h-BN intercalation. In particular lattice structure, cohesive energy, formation enthalpy, charge transfer and electronic structure of both intercalation compounds are calculated in the density functional theory framework with local density approximation to the exchange-correlation energy. The calculated formation enthalpy of the considered forms of Li intercalated h-BN is found to be positive which rules out h-BN intercalation without externally supplied energy. Also, the Li(BN)₃ form of Li-intercalated h-BN is found to have a large electronic density of states at the Fermi level and an interlayer state that crosses Fermi level at the zone center; these properties make it an interesting material to investigate the role of interlayer states in the superconductivity of alkali intercalated layered structures. The most pronounced change in the charge distribution of the intercalated compounds is found to be charge transfer from the planar σ states to the π states.     

Ab initio density functional theory investigation of Li-intercalated silicon carbide nanotube bundles

We present the results of ab initio density functional theory calculations on the energetic, and geometric and electronic structure of Li-intercalated (6,6) silicon carbide nanotube (SiCNT) bundles. Our results show that intercalation of lithium leads to the significant changes in the geometrical structure. The most prominent effect of Li intercalation on the electronic band structure is a shift of the Fermi energy which occurs as a result of charge transfer from lithium to the SiCNTs. All the Li-intercalated (6,6) SiCNT bundles are predicted to be metallic representing a substantial change in electronic properties relative to the undoped bundle, which is a wide band gap semiconductor. Both inside of the nanotube and the interstitial space are susceptible for intercalation. The present calculations suggest that the SiCNT bundle is a promising candidate for the anode material in battery applications.     

Theoretical prediction of honeycomb carbon as Li-ion batteries anode material

First principles calculations are performed to study the electronic properties and Li storage capability of honeycomb carbon. We find its right model consistent with the experimental result, the honeycomb carbon and its Li-intercalated configurations are all metallic which is beneficial to the electrode materials for lithium-ion batteries. The model 1 configuration shows fast Li diffusion and theoretical Li storage capacity of 319 mAh/g. Moreover, the average intercalation potentials for honeycomb carbon material is calculated to be low relatively. Our results suggest that the honeycomb carbon would be a new promising pure carbon anode material for Li-ion batteries.     

锑烯吸附金属Li原子的密度泛函研究

锑烯(antimonene)是继石墨烯和磷烯之后出现的新型二维材料,在锂离子电池等领域受到关注.本文基于第一性原理的密度泛函理论,计算研究了锑烯对Li原子的吸附特性,包括Li原子的最稳定吸附构型、吸附密度以及吸附Li原子的扩散路径.结果表明:Li原子最稳定的吸附位置位于谷位,即底层Sb原子之上、顶层三个Sb原子中心位置,吸附能为1.69 eV,吸附距离为2.81?;能带计算发现,锑烯为带隙宽度1.08 eV的间接带隙半导体,吸附Li原子后费米能级上升进入导带,呈现出金属性;原子分波态密度分析发现, Sb原子的p电子态和Li原子的p和s电子态形成明显的共振交叠,表现出杂化成键的特征;随着吸附Li原子数量增加,锑烯晶格结构和电子结构发生较大变化.通过微动弹性带方法计算发现, Li原子在锑烯表面的扩散势垒为0.07 eV,较小的势垒高度有利于快速充放电过程.     

Structural and electronic properties of the Li-ion battery cathode material LixCoSiO4

The first-principles density functional theory has been employed to study the structural and electronic properties of Li_xCoSiO₄. The lattice stability of Li_xCoSiO₄ during the lithiation–delithiation process is discussed. The changes in the electronic structures of Li_xCoSiO₄ during the deintercalation of Li ions are also probed. It is found that Li₂CoSiO₄ reacts reversibly with 1 Li⁺ at an average voltage of 4.1 V versus a lithium anode. The computational results indicate that Li₂CoSiO₄ material is a potential candidate for high-capacity cathode for advanced lithium ion batteries.     

First principle study of Li-intercalated (5, 5) ZnO nanotube bundles

We have investigated the geometric and electronic structure of Li-intercalated (5, 5) zinc oxide nanotube (ZnONT) bundles via density functional theory as implemented in the code WIEN2k. Our results show that the geometrical structures are changed because of intercalation of lithium. The effect of Li intercalation on the density of state and electronic band structure is a shift of the Fermi energy due to the charge transfer from lithium to the ZnONTs. Although, the bundle of clean (5, 5) ZnONTs is semiconductor, all the Li-intercalated (5, 5) ZnONT bundles are found to be metallic. Both inside of the nanotube and the interstitial spaces are susceptible for intercalation.