QuantumATK在电池/储能材料中的应用

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概述

可循环充放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相关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
    • 离子插层和离子化过程
    • 估计材料的体积膨胀和结构稳定性
  • 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
  • 聚合物材料模拟
  • 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)
    • 研究无机-无机材料界面、无机-聚合物界面性质
  • 新型电池的机理
    • 新的正极材料和机理

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。


研究实例2:锂电池材料的界面结构和电子态性质

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

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。


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

研究实例7:增强多壁碳纳米管层间的钠离子存储

本文报道了一种利用多壁碳纳米管(MWCNT)作为钠离子电池活性阳极材料的有效方法,即通过增加多壁碳纳米管(MWCNT)外层的层间距离来实现。采用密度泛函紧束缚(DFTB)分子动力学模拟方法研究了其性能的提高。通过范德华修正的密度泛函理论计算,发现钠原子与部分膨胀的碳纳米管(PECNT)形成稳定的键合,结合能为-1.50ev,其中钠原子被固定在两个连续的碳纳米管中的两个六边形之间。波函数和电荷密度分析表明,这种结合本质上是物理吸附。这种较大的结合能放热特性有利于PECNT与钠原子之间的稳定键合,从而有助于提高电化学性能。在实验工作中,利用Hummer方法设计了具有膨胀夹层的MWCNT的部分开孔结构。研究发现,官能团的引入使碳纳米管的外层少数部分打开,而内部核心保持不变。这种性能的提高是由于碳纳米管中间层的膨胀,为钠离子的吸附和插层提供了足够的活性中心。PECNT在电流密度为20 mAh g-1时,比容量为510 mAh g-1,约为相同电流密度下原始MWCNT比容量的2.3倍。与其他碳基材料相比,这种比容量更高。PECNT在电流密度为200mA h g-1时,循环稳定性良好。基于我们的实验和理论结果,我们提出了在碳纳米管中储存钠离子的另一种前景。(Nano Lett. 2018, 18, 9, 5688–5696;DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02275)

 


研究实例8:Ge-Air 电池中不同掺杂类型和浓度的Ge(100)和Ge(111)负极的表面钝化

本文采用密度泛函理论对不同掺杂类型和浓度的Ge-air电池中Ge(100)和Ge(111)表面钝化进行了分析。与Ge(111)负极相比,Ge(100)负极与GeO2层结合能大,表面钝化受到抑制。同时,掺杂会阻碍Ge负极上GeO2层的形成,特别是p型掺杂,如B。p型Ge(100)/GeO2和Ge(111)/GeO2之间静电电位差和投影局域态密度的不同也揭示了它们在Ge-air电池中性能区别的根源。此外,I-V曲线显示Ge(100)/GeO2/Ge(100)器件比Ge(111)/GeO2/Ge(111)器件具有更高的电流。这将有助于从根本上理解不同取向和掺杂的Ge-air电池的电化学性能,为Ge-air电池中Ge阳极的设计提供指导。(RSC Adv., 2019, 9, 39582–39588)


研究实例9:锑烯作为钠离子电池负极材料的模拟:第一性原理研究

此研究采用第一性原理计算方法,对钠离子电池(SIB)阳极用锑(Sb)的二维(2D)层进行了建模和研究,计算了化学吸附钠原子与锑原子之间的吸附能荷转移和态密度。半导体锑烯经钠吸附后具有金属性质,有利于电池的应用。较高的金属丰度和有效的电荷转移使锑烯具有更好的导电性。锑电极在钠化过程中是稳定的。我们预测最大比容量为421.63mAh/g,高于工业石墨阳极。计算了钠的活化能垒为0.12 eV,与其他考虑的材料相比,这是较低的。锑烯具有比容量高、膨胀小、扩散势垒小等优点,是SIB阳极材料的潜在候选材料。(Mater. Chem. Phys. 2020, 241, 122381;https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.122381


研究实例10:钾离子电池中碱金属原子在FeX2(X=Se,S)表面的吸附与扩散

此项研究采用DFT计算分析了碱金属原子在FeX2(X=Se,S)稳定表面的吸附和扩散行为,探讨了其作为钾离子电池电极材料的应用前景。计算了FeSe2和FeS2所有可能表面的表面能,以确定具有Wulff结构的稳定表面,这些表面分别是FeS2(001)、FeSe2(110)和FeSe2(001)表面,并确定了这些表面上稳定的吸附位点。根据所选择的位置,考察了碱原子在这些表面上的扩散路径,得到了这些表面的扩散能垒。结果表明,最低势垒仅为0.06ev,出现在FeS2(001)表面和FeSe2(110)表面。研究表明,FeSe2既具有合适的负吸附能,又具有较小的扩散势垒,是一种很有前途的钾离子电池电极材料。(Applied Surface Science 536 (2021) 147774)


研究实例11:无序和表面粗糙度对锂化硅纳米线电性能和热性能的影响

利用密度泛函理论和反应力场方法研究了锂化硅纳米线的电学和热输运性质。后者可以打造未来锂离子电池的核心,增强存储容量。由于这些纳米线的非晶态性质,不可避免地会产生无序和表面粗糙效应,影响锂化过程。研究发现,尽管存在无序现象,但纳米线的导电率随锂浓度的增加而稳步增加,而热导率则相反,并随着散热能力的降低而显著降低。这种行为可以归因于锂离子的影响,锂离子一方面倾向于金属化硅纳米线,从而提高其电子迁移率。另一方面,锂原子的随机分布干扰了声子在纳米线中的传播,解释了热导率的下降。(Appl. Phys. 127, 135101 (2020);https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0002980


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