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atk:电池材料lifepo4中锂离子的扩散

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atk:电池材料lifepo4中锂离子的扩散 [2016/11/02 18:08] – [优化初、末态结构] dong.dongatk:电池材料lifepo4中锂离子的扩散 [2018/03/20 22:20] (当前版本) – liu.jun
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-<chem>LiFePO4</chem> 是典型的可重复充电的锂离子电池电极材料，成本低环境友好<sup>[1,3]</sup>。在本文中，将使用 ATK-DFT 估算锂离子沿 <chem>LiFePO4</chem> 不同晶向扩散速率。 尤其是包括如下内容：+<chem>LiFePO4</chem> 是典型的可重复充电的锂离子电池电极材料，成本低，环境友好<sup>[1,3]</sup>。在本教程中，将使用 ATK-DFT 估算锂离子沿 <chem>LiFePO4</chem> 不同晶向的扩散速率。教程主要包括如下内容：
  
   * 导入 <chem>LiFePO4</chem> 晶体结构   * 导入 <chem>LiFePO4</chem> 晶体结构
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   * 使用简谐近似过渡态理论 (HTST) 计算反应速率   * 使用简谐近似过渡态理论 (HTST) 计算反应速率
  
 +<WRAP center info 100%>
 +=== 提示 ===
 +**本教程使用特定版本的QuantumATK创建，因此涉及的截图和脚本参数可能与您实际使用的版本略有区别，请在学习时务必注意。**
 +</WRAP>
 =====导入 LiFePO4 晶体结构===== =====导入 LiFePO4 晶体结构=====
 VNL 内部数据库没有 <chem>LiFePO4</chem> 的晶体结构。您可以从其他数据库下载结构文件，一般而言 CIF 文件通用性比较强。 VNL 内部数据库没有 <chem>LiFePO4</chem> 的晶体结构。您可以从其他数据库下载结构文件，一般而言 CIF 文件通用性比较强。
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 {{ :atk:initial_geometry_optimization.png?250 }} {{ :atk:initial_geometry_optimization.png?250 }}
  
-另外，本例中可以使用 unpolarized GGA.PBE 泛函。这样计算速度会快很多，对本例而言，不影响结果的正确性。这里可以下载三个输入脚本:[[http://docs.quantumwise.com/_downloads/initial.py|initial.py]]、[[http://docs.quantumwise.com/_downloads/final_1.py|final_1.py]]和[[http://docs.quantumwise.com/_downloads/final_2.py|final_2.py]]。+另外，本例中可以使用 unpolarized GGA.PBE 泛函。这样计算速度会快很多，对本例而言，不影响结果的正确性。这里可以下载三个输入脚本:{{ :atk:initial.zip |}}、{{ :atk:final_1.zip |}}和{{ :atk:final_2.zip |}}。
 =====创建NEB路径的初始猜测===== =====创建NEB路径的初始猜测=====
  
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 4，使用//initial.nc//和//final_2.nc//创建Li沿着C方向扩散的初始路径。 4，使用//initial.nc//和//final_2.nc//创建Li沿着C方向扩散的初始路径。
-=====优化Li扩散路径=====+=====优化 Li 扩散路径=====
  
-现在准备好设置并优化Li在<chem>LiFePO4</chem>中的扩散路径。+现在可以设置并优化 L i在 <chem>LiFePO4</chem> 中的扩散路径。
  
-1，分别将两个NEB任务从**Stash**送到**Scripter**中。+1，分别将两个 NEB任务从 **Stash** 送到 **Scripter** 中。
  
-2，添加并设定一个{{:atk:calculator.png?20}}**New Calculator**，参数选择与末态结构计算保持一致。+2，添加并设定一个 {{:atk:calculator.png?20}} **New Calculator**，参数选择与末态结构计算保持一致。
  
-3，添加一个{{:atk:optimization.png?20}}**OptimizeGeometry**，并确保选择了//Climbing Image Method//，因为需要用这个方法去寻找正确的过渡态，用于简谐近似过渡态理论分析（下文有介绍）。+3，添加一个 {{:atk:optimization.png?20}} **OptimizeGeometry**，并确保选择了 //Climbing Image Method//，因为需要用这个方法去寻找正确的过渡态，用于简谐近似过渡态理论分析（下文有介绍）。
  
 {{ :atk:neb_scripter.png?250 }} {{ :atk:neb_scripter.png?250 }}
  
-4，最后运行两个NEB计算[[http://docs.quantumwise.com/_downloads/neb_B.py|neb_B.py]]和[[http://docs.quantumwise.com/_downloads/neb_C.py|neb_C.py]]。注意，如同[[atk:NEB方法研究Pt在Pt表面的扩散]]中描述的那样，可以使用MPI多进程并行计算。尤其是NEB计算各个映像的时候，各个进程本身就是并发的。ATK会尝试检测最佳的并行化策略，并在log文件中输出一小段相关的报告。中本例中能够立即看到检测到一个关于负载平衡的问题。可以修改MPI进程数，从而达到最佳性能。+4，最后运行两个 NEB 计算 {{ :atk:neb_b.zip |}} 和 {{ :atk:neb_c.zip |}}。注意，如同 [[atk:NEB方法研究Pt在Pt表面的扩散]] 中描述的那样，可以使用 MPI 多进程并行计算。尤其是 NEB 计算各个image的时候，各个进程本身就是并发的。QuantumATK 会尝试检测最佳的并行化策略，并在 log 文件中输出一小段相关的报告。本例中能够看到程序检测到一个关于负载均衡的问题。可以修改 MPI 进程数，从而达到最佳性能。
  
 <code python> <code python>
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 </code> </code>
 <WRAP center round box 100%> <WRAP center round box 100%>
-小贴士： +=== 小贴士 === 
- +通过设置比较大的力收敛阈值，比如 0.08 eV/Å，这样计算会使用简单 NEB 计算，从而很快就会完成，不会启用 //Climbing Image// 方法。这样一般能够更快地给出一个能垒和扩散路径的粗略猜测。之后，可以设置更精确的 NEB 计算，并使用 //Climbing Image// 方法完成结果。
-通过设置比较大的力收敛阈值，比如0.08 eV/Å，这样计算会掉用简单NEB计算，从而很快就会完成，不会启用//Climbing Image//方法。这样一般能够更快地给出一个能垒和扩散路径的粗略猜测。这一步之后，可以设置更精确的NEB计算，并使用//Climbing Image//方法完成结果。+
 </WRAP> </WRAP>
  
-====分析结果 ====+=====分析结果 =====
  
-只要计算正确收敛，就能在**LabFloor**中找到加载的内容中找到优化后的//NudgedElasticBand//。+只要计算正确收敛，就能在 **LabFloor** 中找到加载的内容中找到优化后的 //NudgedElasticBand//。
  
 <WRAP center round box 100%> <WRAP center round box 100%>
-小贴士： +=== 小贴士 === 
- +计算结束后，一定不要忘记检查log文件，尤其是要检查是否收敛：
-计算结束后，永远不要忘记检查log文件，尤其是要检查是否收敛：+
 <code python> <code python>
 +------------------------------------------------------------------------------+ +------------------------------------------------------------------------------+
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 </WRAP> </WRAP>
  
-下面两个图中，使用Movie Tool显示了优化之后的Li原子沿着B和C方向扩散过程。+下面两个图中，使用 Movie Tool 显示了优化之后的 Li 原子沿着 B 和 C 方向扩散过程。
  
 {{ :atk:neb_results.png?330 }} {{ :atk:neb_results.png?330 }}
  
-发现Li原子沿C方向移动需要跨越一个非常高的能垒，2.3eV；而沿着B方向，一个Li原子一个通道，移动则容易得多。这些结果与参考文献一致<sup>[2]</sup>。+发现 Li 原子沿 C 方向移动需要跨越一个非常高的能垒，2.3eV；而沿着 B 方向，一个 Li 原子一个通道，移动则容易得多。这些结果与参考文献一致<sup>[2]</sup>。
  
 =====使用简谐近似过渡态理论计算反应速率===== =====使用简谐近似过渡态理论计算反应速率=====
  
-关于如何计算反应速率的细节，以及简谐近似过渡态理论本身，请参考[[atk:用准谐近似理论研究反应速率]]。+关于如何计算反应速率的细节，以及简谐近似过渡态理论本身，请参考 **[[atk:用准谐近似理论研究反应速率]]**。
  
 分析过程如下： 分析过程如下：
  
-1，打开**Scripter**。+1，打开 **Scripter**。
  
-2，双击**Analysis from file**，选择//neb_B.nc//中的//glD001//。+2，双击 **Analysis from file**，选择 //neb_B.nc// 中的 //glD001//。
  
-3，添加HTSTEvent分析，并设置prefactor为1e+13 1/s。+3，添加 HTSTEvent 分析，并设置 prefactor为 1e+13 1/s。
  
 {{ :atk:htstevent_scripter.png?250 }} {{ :atk:htstevent_scripter.png?250 }}
  
-4，运行分析任务，1分钟左右完成。脚本文件：[[http://docs.quantumwise.com/_downloads/HTST_analysis.py|HTST_analysis.py]]+4，运行分析任务，一分钟左右完成。脚本文件：[[http://docs.quantumwise.com/_downloads/HTST_analysis.py|HTST_analysis.py]]
  
-为了将HTSTEvents分析结果可视化，选择**LabFloor**中对应的对象，选中窗口右侧的//HTST Rates//插件。+为了将 HTSTEvents 分析结果可视化，选择 **LabFloor** 中对应的对象，选中窗口右侧的 //HTST Rates// 插件。
  
 {{ :atk:htst_rates.png?250 }} {{ :atk:htst_rates.png?250 }}
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 这里，可以为扩散机制计算正向和你想反应速率常数。本例中，两个值非常接近，因为初始结构和末态结构基本上是等价的。 这里，可以为扩散机制计算正向和你想反应速率常数。本例中，两个值非常接近，因为初始结构和末态结构基本上是等价的。
  
-这里，也可以设置Arrhenius点图选项：+这里，也可以设置 Arrhenius 点图选项：
  
 {{ :atk:arrhenius_plot.png?350 }} {{ :atk:arrhenius_plot.png?350 }}
  
 下表总结了本例中的结果： 下表总结了本例中的结果：
 +| Direction | Barrier | $k_{HTST}$ |
 +| B | 0.41 | $1.6\times 10^{6}$ |
 +| C | 2.31 | $1.5\times 10^{-26}$ |
  
-{{ :atk:wechatimg7.jpeg?250 |}} 
  
 =====参考文献===== =====参考文献=====
  
-[1] M. Saiful Islam and Craig A. J. Fisher. Lithium and sodium battery cathode materials: computational insights into voltage, diffusion and nanostructural properties. Chem. Soc. Rev., 43(1):185, 2014. doi:10.1039/C3CS60199D. +  * [1] M. Saiful Islam and Craig A. J. Fisher. Lithium and sodium battery cathode materials: computational insights into voltage, diffusion and nanostructural properties. Chem. Soc. Rev., 43(1):185, 2014. doi:10.1039/C3CS60199D. 
- +  * [2] Chuying Ouyang, Siqi Shi, Zhaoxiang Wang, Xuejie Huang, and Liquan Chen. First-principles study of li ion diffusion in lifepo 4. Physical Review B, 2004. doi:10.1103/PhysRevB.69.104303. 
-[2] Chuying Ouyang, Siqi Shi, Zhaoxiang Wang, Xuejie Huang, and Liquan Chen. First-principles study of li ion diffusion in lifepo 4. Physical Review B, 2004. doi:10.1103/PhysRevB.69.104303. +  * [3] William Davidson Richards Yan Wang. Design principles for solid-state lithium superionic conductors. Nature Materials, 14(10):1026, 2015. doi:10.1038/nmat4369. 
- +  * [4] Dhamodaran Santhanagopalan Yuri Janssen. Reciprocal salt flux growth of lifepo 4 single crystals with controlled defect concentrations. Chemistry of Materials, 25(22):4574, 2013. doi:10.1021/cm4027682. 
-[3] William Davidson Richards Yan Wang. Design principles for solid-state lithium superionic conductors. Nature Materials, 14(10):1026, 2015. doi:10.1038/nmat4369. +  * 英文教程原文：http://docs.quantumwise.com/tutorials/li_ion_diffusion.html
- +
-[4] Dhamodaran Santhanagopalan Yuri Janssen. Reciprocal salt flux growth of lifepo 4 single crystals with controlled defect concentrations. Chemistry of Materials, 25(22):4574, 2013. doi:10.1021/cm4027682.+
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