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电池材料结构设计与模拟
孙 洁!
!
天津大学!
1
Why Li ion battery research?
Li ion batteries are currently a part of everyday life:
~10 Wh ~2,500 Wh ~85,000 Wh World ~10TWh
2
How does a Li-ion battery work?
?? Li must be more stable in cathode
than anode
Voltage
?? Electrodes must accomodate
sufficient Li
Capacity
?? Electrons/ions must be
extractable from electrodes
Conductivity
Voltage x capacity = Energy
3
Why use Density functional theory (DFT) methodology?
need:
Constituent Atoms
Approximate Structure
DFT
Get:
Total Energy
Magnetization
Forces
Single particle energy levels
(band structure)
Derive: Voltage
Conductivity
Stability (structural, chemical)
Activation barriers
Cheap, reliable way to scan materials for suitability
Understanding of the underlying physics/chemistry
4
What fundamentally determines voltage?
What determines level of d-states?
i) Oxidation state of electrochemically active ion
ii) Atomic weight of electrochemically active ion
iii) Local structure (bonding with oxygen)
iv) Long range structure (dimensionality)
For Li-ion batteries ΔE 5 eV
5
Calculating Voltage
i) Structural How does “host” change as Li is added or subtracted ?
graphite LiCoO2 LiFePO4
ii) Electronic How hard is it to extract/add an electron?
6
(In reality, these two cannot be decoupled)
算例目录
?? 新电池体系的电位、容量预测
算例1. Cu0电化学插层Bi2Se3的超导性能研究
?? 锂离子电池(负极)
算例2.新型碳纳米材料超理论容量的解释
算例3.宿主碳基材料的“灌锂”性能研究
?? 磷负极 (锂/钠离子电池)
算例4.黑磷异向反应特性的研究
算例5.磷/碳复合材料的结构设计(2D限域;界面限域)
算例6.开发新型化学反应方法的理论依据
?? 锂硫电池
算例7.锂硫电池中功能性隔膜修饰材料的选择
算例8.硫正极修饰材料的选择与性能评价
7
算例1. Cu0电化学插层Bi2Se3的超导性能研究
——“电池”电位、比容量预测
研究背景
Chemical method
4% Cu
JACS, 134, 13773-13779 (2012)
CuxBi2Se3, x 0.15
Phys. Rev. Lett. 104 (2010) 057001
8
算例1. 超导材料CuxBi2Se3的电化学调控
——“电池”电位、比容量预测
1.电化学插层方法预测 电位的差异的原因?
V = ?
E(Cux2Bi2Se3)? E(Cux1Bi2Se3)? (x2 ? x1)E(Cu)
(x2 ? x1)e
9
算例1. 超导材料CuxBi2Se3的电化学调控
——“电池”电位、比容量预测
2.插层结构的验证:实验与模拟结合
10
算例1. 超导材料CuxBi2Se3的电化学调控
——“电池”电位、比容量预测
3. 电子结合
能变化的理
论解释
11
算例1. 超导材料CuxBi2Se3的电化学调控
——“电池”电位、比容量预测
12
算例1. 超导材料CuxBi2Se3的电化学调控
——“电池”电位、比容量预测
1
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