第一性原理计算研究锂离子电池正极材料LiCoO2的热力学性能

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作为应用最为广泛的锂离子二次电池,在生活当中扮演的角色越来越重要。计算模拟引入到锂电材料的研发当中后,跟随着市场对锂离子电池日益增长的需求步伐,所占比重也越来越大。密度泛函理论(DFT)作为计算模拟最为实用的理论依据,精准地解释了许多锂离子电池热力学与动力学方面的问题,而且在材料性能预测及功能设计方面作用日益突出。然而,密度泛函理论由于一些近似而在模拟计算时存在一些缺点,如:密度泛函理论在进行体系能量计算时,只能算出体系基态能量;而且建立在绝热近似基础上,忽略了原子核对体系的贡献。因而造成了一些预测上的误差。本文以密度泛函理论由于经过绝热近似而忽略的原子核振动(即晶格振动)为切入点,考虑晶格振动对锂离子材料热力学方面的影响。这里具体指拟通过计算晶格振动对预测的脱锂电势进行修正。首先通过对LiCoO2/Li半电池系统所涉材料Li、LiCoO2及Li□CoO2原胞进行声子谱的计算,得到声子谱数据,再计算Li、LiCoO2及Li□CoO2的热力学量(赫姆霍兹自由能,熵及热容)。最后,根据脱锂电势的预测公式,代入相关热学力量,计算出晶格振动造成的电势改变值V。通过第一性原理修正计算,发现在300K时V为-95mV,这意味着以前的预测数据偏高了0.1V左右;而且随着温度升高到350K时V变为-113mV,即脱锂电势变化和实际情况下锂离子电池温度升高容量下降相符,意味着锂离子电池在温度升高时晶格振动也是造成容量衰减的因素之一。
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