Materials Studio在电池材料研究中的应用.pdf

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1、电池材料结构设计与模拟孙洁!!天津大学!1WhyLiionbatteryresearch?Liionbatteriesarecurrentlyapartofeverydaylife:～10Wh～2,500Wh～85,000WhWorld~10TWh2HowdoesaLi-ionbatterywork?•LimustbemorestableincathodethananodeVoltage•ElectrodesmustaccomodatesufficientLiCapacity•Electrons/ionsmustbeextractablefromelectrodesCo

2、nductivityVoltagexcapacity=Energy3WhyuseDensityfunctionaltheory(DFT)methodology?Get:need:TotalEnergyConstituentAtomsApproximateStructureDFTMagnetizationForcesSingleparticleenergylevels(bandstructure)Derive:VoltageConductivityStability(structural,chemical)ActivationbarriersCheap,reliablew

3、aytoscanmaterialsforsuitabilityUnderstandingoftheunderlyingphysics/chemistry4Whatfundamentallydeterminesvoltage?Whatdetermineslevelofd-states?i)Oxidationstateofelectrochemicallyactiveionii)Atomicweightofelectrochemicallyactiveioniii)Localstructure(bondingwithoxygen)iv)Longrangestructure(

4、dimensionality)ForLi-ionbatteriesΔE<5eV5CalculatingVoltagei)StructuralHowdoes“host”changeasLiisaddedorsubtracted?graphiteLiCoO2LiFePO4ii)ElectronicHowhardisittoextract/addanelectron?6(Inreality,thesetwocannotbedecoupled)算例目录•新电池体系的电位、容量预测算例1.Cu0电化学插层BiSe的超导性能研究23•锂离子电池（负极）算例2.新型碳纳米材料超理论容

5、量的解释算例3.宿主碳基材料的“灌锂”性能研究•磷负极(锂／钠离子电池)算例4.黑磷异向反应特性的研究算例5.磷／碳复合材料的结构设计（2D限域；界面限域）算例6.开发新型化学反应方法的理论依据•锂硫电池算例7.锂硫电池中功能性隔膜修饰材料的选择算例8.硫正极修饰材料的选择与性能评价7算例1.Cu0电化学插层BiSe的超导性能研究23——“电池”电位、比容量预测研究背景Chemicalmethod4%CuJACS,134,13773-13779(2012)CuBiSe,x<0.15x23Phys.Rev.Lett.104(2010)0570018算例1.超导材料CuBi

6、Se的电化学调控x23——“电池”电位、比容量预测1.电化学插层方法预测电位的差异的原因？E(Cux2Bi2Se3)−E(Cux1Bi2Se3)−(x2−x1)E(Cu)V=−(x2−x1)e9算例1.超导材料CuBiSe的电化学调控x23——“电池”电位、比容量预测2.插层结构的验证：实验与模拟结合10算例1.超导材料CuBiSe的电化学调控x23——“电池”电位、比容量预测3.电子结合能变化的理论解释11算例1.超导材料CuBiSe的电化学调控x23——“电池”电位、比容量预测12算例1.超导材料CuBiSe的电化学调控x23——“电池”电位、比容量预测13算例目录

7、•新电池体系的电位、容量预测算例1.Cu0电化学插层BiSe的超导性能研究23•锂（离子）电池（负极）算例2.新型碳纳米材料超理论容量的解释算例3.宿主碳基材料的“灌锂”性能研究•磷负极(锂／钠离子电池)算例4.黑磷异向反应特性的研究算例5.磷／碳复合材料的结构设计（2D限域；界面限域）算例6.开发新型化学反应方法的理论依据•锂硫电池算例7.锂硫电池中功能性隔膜修饰材料的选择算例8.硫正极修饰材料的选择与性能评价14算例2.插层反应机制—如何提高比容量增加储锂位碳纳米管超短碳纳米管插层反应优势：问题：1.缩短了锂离子扩散方向的路径1.锂离