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.