镁离子电池正极材料VS_4掺杂改性的第一性原理研究

阳离子掺杂能够有效提高材料的电化学性能,而对掺杂材料结构和电化学性质的研究能从理论上解释产生这种变化的原因.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了过渡族金属掺杂的镁离子电池正极材料TM_(0.125)V_(0.875)S_4(TM=Mo、Fe、Co、Ni)的几何和电子结构变化,计算结果显示:通过采用范德华力修正的GGA+vdw-DF方法,获得了和实验结果相一致的晶格常数.阳离子掺杂后,a轴和b轴晶格常数减小,而c轴晶格常数增大.电子态密度分析表明离子掺杂能够有效降低带隙,提高材料的电子电导率.通过对镁离子扩散进行微动弹性带(NEB)计算,发现Fe掺杂能够有效降低扩散能垒,提高材料的离子迁移率.     

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.     

碳纳米锥吸附Na的第一性原理计算

本文采用第一性原理计算结合从头算分子动力学的方法,研究了碳纳米锥(CNC)、B和N掺杂碳纳米锥(B-CNC和N-CNC)的稳定性,结果表明CNC、B-CNC和N-CNC均可以稳定存在.在此基础上分别研究了Na原子在CNC、B-CNC和N-CNC上的吸附行为.结果表明：1) Na原子在CNC五元碳环中心顶部位置的吸附最强,吸附能为-2.52 eV. CNC的能隙(Eg)为1.96 eV. 2) B和N掺杂CNC后,B-CNC和N-CNC的导电性均显著增强. 3)与CNC相比,Na原子在B-CNC上的吸附增强,而在N-CNC上的吸附则显著减弱.这表明B-CNC有望作为Na离子电池的负极材料.本文的研究结果对以CNC为负极材料的Na离子电池的研究提供了理论指导.     

梯形化合物NaV2O4F电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理赝势平面波方法, 通过自旋极化的广义梯度近似(GGA)电子结构计算对梯形化合物NaV₂O₄F进行了研究. 考虑了四种假想的自旋有序态,计算结果表明该化合物的磁基态具有二维反铁磁(AFM)结构, 即沿梯阶和梯腿方向都表现为AFM作用. 能带结构显示NaV₂O₄F为绝缘体材料, 带隙约为1.0eV. 方锥体中的晶体场劈裂使得VO₄F方锥体中的 V^{4+ 关键词： 2O₄F')" href="#">NaV₂O₄F 梯形化合物 第一性原理计算 电子结构}     

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.     

锂离子电池正极材料Li2FeSiO4的电子结构与输运特性

采用基于密度泛函理论第一性原理方法, 研究了对称性为Pmn2₁的正交结构聚阴离子型硅酸盐Li₂FeSiO₄及其相关脱锂相LiFeSiO₄的电子结构, 并进一步采用玻尔兹曼理论对其输运性质进行计算. 电荷密度分析表明, 由于强Si–O共价键的存在使Li₂FeSiO₄晶体结构在嵌脱锂过程中始终保持稳定, 体积变化率只有2.7%. 能带结构与态密度计算结果表明, 费米能级附近的电子结构主要受Fe-d轨道中电子的影响, Li₂FeSiO₄ 的带隙宽度明显小于LiFeSiO₄, 说明前者的电子输运能力优于后者. 输运性质计算表明, 电导率在300–800 K时对温度的变化并不敏感, 同时也证明了Li₂FeSiO₄晶体的电导率大于LiFeSiO₄晶体, 与能带和态密度分析结论一致.     

Mg~(2+)掺杂锰酸锂的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法对Mg~(2+)掺杂锰酸锂的晶格常数与能带结构、态密度、键布居进行计算和分析,计算结果表明:掺杂Mg~(2+)后将会促使Mn、 O原子的电荷重新分布且其相互作用加强,能带带隙减小,费米能级附近的带数增加,费米能由-1.29 eV增加到-1.02 eV, Mn、 O、 Mg在总态密度中贡献比较大,锂离子贡献比较小且峰型尖锐局域化严重,提高了Li~+的扩散效率, Mn—O键变短,共价性增强,形成的共价键较稳定,其相互作用形成的骨架较稳定不易坍塌.从而提高了材料的循环充放电性能和电池使用寿命.     

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.     

稀土掺杂对LiFePO4性能影响的第一性原理研究

掺杂是提高LiFePO4体相电子电导率, 优化其电化学性能的重要方法之一. 稀土元素因具有高的电子电荷、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) 掺杂的锂离子电池正极材料LiFePO4的性质. 计算结果表明, 稀土元素掺...     

插层化合物Ag1/4TiSe2电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法,选用局域密度近似对Ag_1/4TiSe₂及TiSe₂的几何结构进行了优化和总能量计算.计算得到的晶格常量与实验结果符合较好,负的形成能表明有序Ag_1/4TiSe₂系统的稳定性.布居数、键长、能带结构和态密度的计算结果显示：Ag以较强的离子性结合于Ag_1/4TiSe₂中.Ag的插入使得半金属性的TiSe_{2关键词： 1/4}TiSe₂')" href="#">Ag_1/4TiSe₂ 电子结构 插层化合物 第一性原理计算     

熔融盐法合成锂离子电池正极材料纳米LiNiO2

采用熔融盐法,在较低的温度和较短的时间制备了符合理论化学计量比的纳米LiNiO₂.研究表明,经过空气中的低温预烧,可以使制备的纯相纳米LiNiO₂具有更加优良的结晶性能和更佳的电化学特性.添加预烧步骤前后所得最终产物的初始容量分别为151和148 mAh ·g^-1,经过100周的循环,容量衰减到55和118 mAh ·g^-1,容量保持率分别为36.4%和79.7%.原因在于预烧后再进行煅烧降低了阳离子无序度,减少了混杂 关键词： 2')" href="#">LiNiO₂ 熔融盐法 锂离子电池 电化学性能     

锂离子电池SnSb/C复合负极材料的热碳还原法制备及电化学性能研究

采用高温还原技术,以SnO2,SbO3为原料,分别以葡萄糖、中间相碳微球(MCMB)作为还原剂,制备了两种结构的SnSb/C复合材料,并对比了它们的形貌和电化学性能.采用X射线衍射技术、拉曼技术、扫描电子显微镜技术对材料的结构和形貌进行了表征,并且通过测试恒电流充放电曲线、循环伏安曲线和交流阻抗谱分析了材料的电化学性能.实验结果表明:葡萄糖作为还原剂时,形成以合金颗粒为内核,絮状碳壳均匀包裹的微米球状结构,首次放电比容量为793.379 mA·h·g-1,循环50周后仍维持在449.987 mA·h·g-1;而以MCMB作为还原剂时,形成合金颗粒与MCMB混合共存并部分包覆的结构,首次放电比容量为1164.938 mA·h·g-1,50周后的比容量仅有290.807 mA·h·g-1.     

First-principles study of interphase Ni3Sn in Sn--Ni alloy for anode of lithium ion battery

This paper investigates the mechanism of Li insertion into interphase Ni3Sn in Ni-Sn alloy for the anode of lithium ion battery by means of the first-principles plane-wave pseudopotential. Compared with other phases, it is found that the Ni3Sn has larger relative expansion ratio and lower electrochemical potential, with its specific plateaus voltage around 0.3 eV when lithium atoms are filled in all octahedral interstitial sites, and the relative expansion ratio increasing dramatically when the lithiated phase transits from octahedral interstitial sites to tetrahedral interstitial sites. So this phase is a devastating phase for whole alloy electrode materials.     

锂离子电池SnSb/MCMB核壳结构负极材料嵌锂性能研究

以酸处理的中间相碳微球(MCMB)为载体, 用化学还原法在碳球表面沉积SnSb合金, 合成SnSb 包覆碳球的核壳结构负极材料. 采用XRD, SEM技术对材料的结构和形貌进行了表征, 用恒电流充放电(CC)、循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)测试了材料的电化学性能. 实验结果表明: SnSb/MCMB样品呈现纳米晶与非晶态的混合组织; 单一SnSb合金的容量衰减较快, 而对于SnSb/MCMB复合材料, 细小的合金颗粒均匀钉扎在MCMB表面, 不仅改善了颗粒的团聚现象, 而且增强了材料的导电能力, 使材料的循环稳定性得到改善, 复合材料具有936.161 mAh/g的首次放电比容量, 首次库仑效率80.3%, 50次循环后容量维持在498.221 mAh/g. 关键词： SnSb合金 锂离子电池 中间相碳微球(MCMB) 电化学性能     

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 on phase Al0.8Ni3Sn0.2 in Sn-Ni-Al alloy as anode for lithium ion battery

The mechanism of lithium intercalation/deintercalation for phase Al 0.8 Ni 3 Sn 0.2 as anode material used in lithium ion battery was studied carefully based on the first-principle plane wave pseudo-potential method.The calculated results indicated that Sn-Ni-Al alloy had high theoretical capacity when used as anode material,however,there was high initial irreversible capacity loss because of the large volume expansion.Therefore the technological parameters during preparing the Sn-Ni-Al anode should be controlled strictly to make the content of Al 0.8 Ni 3 Sn 0.2 phase as low as possible and to make the anode consist of promising Sn-Ni and Al-Ni phases.For comparison,an experiment based on magnetron sputtering was done.The result showed that the calculation is in good agreement with the experiment.We found that the first-principle investigation method is of far-reaching significance in synthesising new commercial anode materials with high capacity and good cycle performance.     

A lithium ion battery using nanostructured Sn-C anode, LiFePO4 cathode and polyethylene oxide-based electrolyte

In this work we report a lithium ion battery based on a nanostructured Sn-C anode, an improved lithium iron phosphate, LiFePO₄, cathode and a polyethylene oxide-based electrolyte. The battery has a solid-like configuration, high safety and can operate at room temperature with a stable capacity of the order of 120 mAh g^− 1 at a voltage of 2.8 V. These properties candidate the battery as very appealing energy accumulation system suitable for environmentally friendly, safe, applications.     

Na+替位掺杂对Li2MnSiO4的电子结构以及Li+迁移过程的影响

在锂二次电池中, 硅酸锰锂作为正极材料得到广泛研究, 但其固有的电子和离子电导率较低, 直接影响着电池的功率密度和充放电速率. 本文建立了不同浓度的Na⁺离子替位掺杂Li⁺离子形成的Li_1-xNa_xMnSiO₄(x=0, 0.125, 0.25, 0.5)结构, 采用第一性原理的方法, 研究了掺杂前后硅酸锰锂的电子结构以及Li⁺离子的跃迁势垒. 发现在Li⁺位替代掺杂Na⁺, 导带底的能级向低能方向发生移动, 降低了Li₂MnSiO₄ 材料的禁带宽度, 有利于提升材料的电子导电性能. 随着掺杂浓度的升高, 禁带宽度逐渐变窄. CI-NEB结果表明, 在Li₂MnSiO₄体系中具有两条有效的Li⁺离子迁移通道, 掺杂Na⁺以后扩大了Li⁺ 离子在[100]晶向上的迁移通道, Li⁺离子的跃迁势垒由0.64 eV降低为0.48, 0.52和0.55 eV. 掺杂浓度为 x=0.125时, 离子迁移效果最佳. 研究表明Na⁺掺杂有利于提高Li₂MnSiO₄材料的离子和电子电导率.     

Spatially resolved Raman investigation on phase separations of mixed Na2SO4/MgSO4 droplets

By using spatially resolved Raman spectroscopy together with in situ microscopy, mixed Na₂SO₄/MgSO₄ aerosol particles with molar ratios of 1:1 and 2:1 deposited on a quartz substrate were carefully examined in their evaporation processes. Upon decreasing the relative humidity (RH), phase separations were found to occur for these droplets. For Na₂SO₄/MgSO₄ droplets with a molar ratio of 1:1, two paths of phase separation were identified, and a large amount of small crystals were observed to disorderly distribute in the residual solutions. By comparisons with the known Raman spectra of crystals, it was concluded that the scattered crystals in the two paths were anhydrous Na₂SO₄ in metastable phase III and the double salt of Na₂SO₄· MgSO₄ · 4H₂O, respectively. For Na₂SO₄/MgSO₄ aerosol droplets with a molar ratio of 2:1, only anhydrous Na₂SO₄ in metastable phase III precipitated with the decrease of RH. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.