QuantumATK在电池/储能材料中的应用

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概述

锂电池是当前电动汽车等电子、电气领域使用最广泛的的电池。通过计算模拟的手段可以预测并有效指导锂电池电极材料的实验研究,提升电池储能密度和寿命。

使用 QuantumATK 可以研究:

  • 正极材料
    • 构建晶体结构,支持从Materials Project和COD数据库中导入结构模型
    • 研究离子占据和空位的能量和密度,预测电池电压
  • 负极材料
    • 锂离子插层和锂化过程
    • 估计材料的体积膨胀和结构稳定性
  • 锂离子迁移
    • 计算离子迁移率,可以考虑在电场情况下的离子迁移
    • 估算材料的离子电阻
  • 材料界面
    • 研究界面电子特性(能带结构、态密度)和离子特性(离子迁移)
  • 新型锂电池的机理

研究实例1:磷酸铁锂中的锂离子扩散过程

磷酸铁锂(LiFePO4)是常用的电极材料。锂电池材料涉及复杂的材料结构、电子态性质和离子动力学过程。在 NanoLab 中,通过构建LiFePO4电极的结构,可以构造锂离子在其中扩散的路径,并使用 NEB 方法优化扩散路径。

NanoLab 中提供的工具还可以使用简谐过渡态理论(Harmonic Transition State Theory)求算扩散速率,详见实例教程。

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锂原子在不同方向上扩散的能垒(NEB计算结果)。

HTST方法得到的Arrhenius反应速率。

HTST方法得到的Arrhenius反应速率。


研究实例2:锂电池材料的界面结构和电子态性质

研究者也可以使用界面研究工具方便的构建并研究界面的几何结构、电子态性质,详见实例教程。文章【J. Phys. Chem. C 2015, 119, 18066−18073】研究了Li2O2、Li2CO3及其界面处的电子导电和离子空位的影响;离子迁移的能垒;极化子输运的能垒。

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使用QuantumATK中独特的器件模型构建并研究Li2CO3/Li2O2界面

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使用Projected Local DOS计算并作出Li2CO3/Li2O2界面的能带情况。


研究实例3:锂硫(Li-S)电池的开路电压

使用反应力场(ReaxFF)可以研究Li-S电池体系,模拟充放电过程。(参考:QuantumATK应用:材料动力学


研究实例4:复杂晶界(界面)的性质

文章【J. Phys. Chem. C 123, 10237–10245 (2019)】研究了固体电解质晶界的锂离子扩散机制,其中QuantumATK提供的界面建模工具已经被广泛的用于各种晶界、界面的建模。最新版本的QuantumATK整合了包含PAW方法、CI-NEB在内的各种模拟手段,可以进行文中全部的研究,无需再使用其他程序。

  • 相关文章:Ramasubramanian, A. et al. Lithium Diffusion Mechanism through Solid-Electrolyte Interphase in Rechargeable Lithium Batteries. J. Phys. Chem. C 123, 10237–10245 (2019).
  • 参考资料:

研究实例5:模拟非零温度、电场下的锂离子扩散(DFT+Forcefield混合分子动力学)

QuantumATK具有更灵活的程序框架,可以综合使用DFT和ForceField来研究离子扩散动力学。DFT自洽计算的引入可以补偿离子在扩散过程中的电荷变化,更好的反映电场下的扩散过程。


研究实例6:InSe作为电极

InSe具有二维层状结构和高电子电导率,可以作为锂电池电极候选材料。文章详细的研究了锂离子在硒化铟中的插层、二维表面的吸附能量,锂吸附对材料电子态的影响,并用CI-NEB方法研究了锂离子在不同位点间的迁移。

  • 相关文章:Zhang, X. et al. Absorption and diffusion of lithium on layered InSe. Comput. Condens. Matter 21, e00404 (2019).
  • 参考资料:QuantumATK应用:吸附与扩散

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