Si-Li合金相嵌锂性能和弹性性能的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,计算了锂离子电池硅负极材料在嵌Li过程中形成LixSi合金相(0≤x≤4.4)的形成能、嵌Li电位、晶体结构、电子结构和弹性性能。计算结果表明,随着嵌Li量的增加,LixSi合金体系总量能逐渐降低,LixSi合金相的形成能均为负值,表明硅负极材料的嵌Li反应在热力学可以自发进行;随着嵌Li量的增加,LixSi合金相的平均嵌Li电位逐渐降低,体积膨胀率逐渐增大,这与实验测得的结果具有良好的一致性。LixSi合金相在费米能级附近的电子主要由Si原子的p电子和Li原子的s电子共同贡献,LixSi合金相的费米能态密度随着嵌Li量的增加在整体上呈现增大趋势,电子导电性增强。随着嵌Li量的增加,LixSi合金相的体积模量(B)、剪切模量(G)和杨氏模量(E)逐渐降低,G/B值表明LixSi合金相均呈脆性,导致硅在嵌Li过程容易发生脆性结构破坏。     

Si-Li合金嵌锂性能和弹性性能的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,计算了锂离子电池硅负极材料在嵌Li过程中形成Li_xSi合金相(0≤x≤4.4)的形成能、嵌Li电位、晶体结构、电子结构和弹性性能.计算结果表明,随着嵌Li量的增加,Li_xSi合金体系总量能逐渐降低,Li_xSi合金相的形成能均为负值,表明硅负极材料的嵌Li反应在热力学可以自发进行;随着嵌Li量的增加,Li_xSi合金相的平均嵌Li电位逐渐降低,体积膨胀率逐渐增大,这与实验测得的结果具有良好的一致性.Li_xSi合金相在费米能级附近的电子主要由Si原子的p电子和Li原子的s电子共同贡献,Li_xSi合金相的费米能态密度随着嵌Li量的增加在整体上呈现增大趋势,电子导电性增强.随着嵌Li量的增加,Li_xSi合金相的体积模量(B)、剪切模量(G)和杨氏模量(E)逐渐降低,G/B值表明Li_xSi合金相均呈脆性,导致硅在嵌Li过程容易发生脆性结构破坏.     

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.     

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.     

Li-Sn合金负极材料的嵌脱锂机理研究

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了Li-Sn各种合金相的物理性质和电化学性质,计算发现Li₅Sn₂相对膨胀率小、对可逆容量贡献大,是理想的合金电极相.同时采用直流和射频磁控溅射方法制备了纳米Sn薄膜电极,并将测得的电化学特性与计算得到的性能进行了比较,发现理论计算的嵌锂电位与实验测得的嵌锂电位具有较好的一致性. 关键词： 锂离子电池 Li-Sn合金 体积膨胀率 第一性原理     

高压下不同结构的Zr3N4合金结构和弹性性质的第一性原理计算

用基于平面波赝势密度泛函理论的第一性原理方法研究了高压下空间群为I4-3D,Pna21和Pnam的三种结构的Zr3N4的弹性性质,获得了这三种物质在高压下的体弹模量B,剪切模量G,杨氏模量E,泊松比,B/G等力学性质。结果表明,在高压下这三种结构的Zr3N4都是保持力学稳定的,且这三种结构的Zr3N4在各个方向的可压缩性是各向异性的。三种结构的Zr3N4对应的体弹模量,剪切模量和杨氏模量都是随着压强的增大而增大。其中空间群为I4-3D的Zr3N4有最好的抵抗体积压缩,变形和线性压缩的能力。泊松比和B/G的数据表明三种结构在此压强范围内均有较好的延展性,高压下空间群为Pna21和Pnam的Zr3N4延展性更好。研究结论对理论研究和实验有一定参考价值。     

单斜相HfO2薄膜弹性常数的第一性原理计算

用电子束蒸发沉积在K9玻璃基底上镀制HfO2薄膜,沉积温度为200℃,蒸发速率为0.03nm/s。由X射线衍射谱可知薄膜出现明显结晶,且为单斜相和正交相混合结构,其中单斜相占明显优势。用Jade5软件分析得到单斜相HfO2的晶格常数a,b,c以及晶格矢量a和c之间的夹角β。基于得到的晶格常数建立了单斜相HfO2薄膜的晶体结构模型。同时建立固态单斜相HfO2的晶体结构模型进行对比。通过密度泛函理论(DFT)框架下的平面超软赝势法,采用两种不同的交换关联函数:局域密度近似(LDA)中的CA-PZ和广义梯度近似(GGA)中的质子平衡方程(PBE),计算了薄膜态和固态单斜晶相HfO2的弹性刚度系数矩阵Cij和弹性柔度系数矩阵Sij,Reuss模型、Voigt模型和Hill理论下的体积模量和剪切模量,材料平均杨氏模量和泊松比。此外还计算得到薄膜态和固态单斜晶相HfO2在不同方向上的杨氏模量。     

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．     

Finemet合金析出相α-Fe(Si)结构与磁性的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究Finemet合金中析出相α-Fe(Si)的晶体结构与磁性,探讨影响立方结构α-Fe(Si)相磁性能的各个因素. 从电子自旋角度出发,分别计算分析了不同比例的Si置换α-Fe超晶格中不同位置的Fe原子后α-Fe(Si)体系的磁性能. 计算结果表明,自旋态密度是影响磁性能的关键因素. 发现Si置换α-Fe超晶格顶角处Fe原子得到的体系比取代体心位置Fe原子的体系磁性要好. 由此可以得出结论,在一定的含量范围内,随着Si含量的增加,Si出现在α-Fe超晶格中顶角位置的概率增大,α-Fe(Si)相的软磁性能提高,与实验结果相符. 本文的研究工作有助于理解Finemet合金的磁性机理. 关键词： Finemet合金 磁性能 第一性原理 态密度     

Sn3InSb4合金嵌Li性能的第一性原理研究

采用第一性原理超软赝势平面波方法计算了Sn₃InSb₄的嵌Li性能,得到各种嵌Li相的嵌Li形成能、理论质量比容量、体积膨胀率、能带结构、态密度和差分电荷密度等.从能量角度分析,Li在嵌入时,优先占据晶胞的四面体间隙位置,然后逐步挤出处于节点位置的Sn原子和In原子.在嵌Li过程中,材料表现出较大的体积膨胀率(11.74%-43.40%),这是导致Sn₃InSb₄作为Li离子电极材料循环性能差的重要原因.态密度计算表明,体系的导电性能首先随嵌Li量的增加而增加,当所有的间隙位置被Li填满,发生Sn的替换反应时,富Li态合金相的导电性反而下降.     

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.     

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.     

第一性原理研究Ir的热力学和弹性性质

基于准谐近似理论,运用第一性原理投影缀加波方法研究了Ir的热力学和弹性性质,得到Ir的声子谱、状态方程、热容、熵、焓和线膨胀系数,以及弹性常数、弹性模量、剪切模量和杨氏模量随温度的变化关系.结果表明,计算的Ir声子谱和有限的实验测量结果一致;考虑电子对体系自由能贡献后计算的热容、熵、焓和线膨胀系数与实验值符合较好;在2600 K时,Ir的电子定压热容占总定压热容的17％,因此在高温时电子对Ir定压热容的贡献是不能忽略的;理论预测的Ir室温下的弹性常数、弹性模量、剪切模量、杨氏模量和实验值测量值基本吻合,并随温度的增加而逐渐减小.     

锂离子电池Sn-Al薄膜电极的制备及电化学性能研究

采用磁控溅射沉积技术制备了纳米级Sn-Al合金薄膜电极材料,并用X射线衍射和扫描电子显微镜进行表征,用高精度电池测试系统进行充放电和循环伏安测试.结果表明直流DC与射频RF两种不同的溅射方法制备的Sn-Al薄膜电极具有很大的性能差异,前者DC法制备的材料颗粒细小,表现出稳定的循环性能,其首次放电容量为1060 mAh/g,首次效率为71.7％,电极经过50次循环后比容量保持在700 mAh/g以上.后者RF法制备的材料颗粒较大,放电比容量开始上升,第五次循环后接着逐渐衰减,表现出较差的循环性能. 关键词： 锂离子电池 磁控溅射 Sn-Al合金 电化学性能