第一性原理计算在锂离子电池领域的应用盘点-yabo手机版登录

随着全球经济及社会的发展，人们对于能源的市场需求及用于日益增长。环境污染和化石能源短缺的问题日益明显，为了人类的可持续发展。谋求开发新能源和可再生资源迫在眉睫。

太阳能和风能等新型能源虽然便捷洗手，但是由于其自身不受时空产于不均匀分布的特点容许在现阶段并无法普遍用于。作为化学储能装置，锂离子电池1以比功率低、能量密度大、寿命长、自放电率低和储藏时间宽等优点，被普遍应用于便携式电子设备、航天、军事装备及电动交通工具。目前，锂离子电池已逐步替代其他电池为主要的动力电池。另一方面，由于近年来智能电网及大规模储能领域的发展对锂离子电池的能量密度和功率密度明确提出了更高的拒绝，这使得研发具备低能量密度和大功率密度的新型锂离子电池尤为重要。

第一性原理计算方法即由头算数（abinitio）被广泛应用在化学、物理、生命科学和材料学等领域。它的基本思想是将多个原子包含的体系看作是由多个电子和原子核构成的系统，并根据量子力学的基本原理对问题展开最大限度的“非经验性”处置。

它只必须5个基本常数（m0，e，h，c，kB）就可以计算出来出有体系的能量和电子结构等物理性质。第一性原理计算出来可以确认未知材料的结构和基础性质，并构建原子级别的精准掌控，是现阶段解决问题实验理论问题和预测新材料结构性能的有力工具。

并且，第一性原理计算出来不必须积极开展现实的实验，很大地节省了实验成本，现被普遍应用于锂离子电池电极材料的嵌脱锂机理探寻、蔓延能垒计算出来、结构稳定性、嵌锂容量机理研究等方面，为锂离子电池电极材料的制取和改性获取了有效地的理论指导。其中，在锂电领域，利用第一性原理计算出来为锂离子电池材料的设计获取的理论应用于主要集中于以下几个方面：1工作电压的计算出来锂离子映射电压是锂离子电池的一个最重要参数，而理想的材料是负极材料的电压平台充足低、负极材料的电压平台充足较低，才能获得较高的工作电压，进而为锂离子电池获取较高的能量密度。第一性原理可以通过计算出来材料基态的电子总能量计算出来出有平均值金字锂电力（averageintercalationvoltage，AIV），与实验测得的电压数值较为相似，其原理阐释如下，例如电极反应式：其开路电压可由如下公式计算出来扣除：其中，μcathode和μanode分别为锂原子在正负极材料中的化学势，z为反应过程中移往电子数，F是法拉第常数，△G为吉布斯（Gibbs）自由能。在0K时，可近似于为△G≈△E，则公式1可用为：因此，只要计算出来反应前后的各物质的总能量，就可以利用公式（2）解法负极材料的平均值电压。

第一性原理计算出来可以较为精确地预测材料的平均值金字锂电力，与实验测得的电压数值较为相似，如Zhou等2人通过计算出来得负极材料LiNiPO4的电压为5.1V，而实验测试值为5.1V-5.3V。Chen等3通过计算出来扣除负极材料LiFePO4的平均值电压为3.2V，其实验值为大约3.4V。

另外，Hassan等4利用第一性原理计算所获得的RuO2负极材料工作电压曲线，与实验中所取得工作电压曲线变化趋势定性的合乎。2电子传导性和离子扩散性倍率性能是指电池在一定时间内释放出其额定电容的电流值。倍率性能越高的电池，释放出完全相同容量的时间则越高，这不利于电池较慢的充放电。

材料的离子电导率和电子电导率联合影响着材料的倍率性能。高倍率下的充放过程不仅必须较慢的离子蔓延，也必须较慢的电子传导。

利用第一性原理计算出来的方法，可以使用NEB（Nudgedelasticband）和CI-NEB(AClimbingimagenudgedelasticband)的方法，对材料中锂离子的蔓延能垒展开计算出来，而蔓延能垒则对应着锂离子的蔓延能，也就是蔓延速率。蔓延能垒就越较低的材料，其蔓延速率越大，则适当的倍率性能则越高。

像大家在文献中所看见的诸如此类的蔓延能垒图5，都是通过第一性原理计算出来的方法展开计算出来的。N掺入石墨烯需要提高负极材料的锂离子蔓延速率，除了在实验中测出的实验值来检验外，也可以通过第一性原理计算出来来计算出来不作N掺入石墨烯时材料中锂离子的蔓延能垒，通过和特N掺入石墨烯后的复合材料的锂离子蔓延能垒展开对比来分析复合材料中蔓延能垒的减少否知道是引进N掺入石墨烯引发的。

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