第一性原理计算在锂离子电池材料应用中的可信度评估

摘要

随着材料应用环境的日益复杂，材料服役性能的实验测试变得越来越困难。而对材料性能的要求不断提高，对材料的理解在空间尺度不断变小，特别是在原子尺度上，依靠实验研究已无法满足现代新材料科学快速发展的需要。随着计算机运算力的提升和计算方法的发展，理论计算在一定程度上解决了材料学所面临的难题——即从原子尺度上深刻的理解材料的热力学和动力学。显然锂离子电池材料的研究便是其中之一。局域密度近似的密度泛函理论（Density Functional Theory,DFT）在过去被证实为计算模拟中最为实用的方法之一，可以很好的解释锂离子电池材料热力学和动力学方面的问题，但其计算结果与实际相比仍然存在一定误差。例如，DFT计算的是基于波恩-奥本海默（B.O.）近似（绝热近似），计算过程中只考虑了电子与原子核的相互作用，而忽略了原子核之间的相互作用，因而不能很好的描述具有很强分子间相互作用的现象。本文利用DFT-vdW在密度泛函理论的基础上进一步考虑分子间的相互作用，研究了锂离子电池材料计算的误差问题，选择了范德瓦尔斯（van der Waals,vdW）作用和固体材料晶格动力学及热力学作为对象，评估了锂离子电池材料应用中第一性原理计算结果的可信度。　　首先计算了一维锂原子链和体相金属锂在原胞下的声子色散曲线。由于边界条件的影响，声子频率的计算在布里渊区边界会产生一定误差，通过对比一维原子链在简谐近似下的的解析解和中子的非弹性散射实验结果，对第一性原理方法计算的声子色散曲线及热力学参量进行了评估分析。研究结果表明，基于密度泛函理论计算的晶格动力学具有较高的可信度。　　然后运用十种不同的vdW函数对LixCoO2（x=1、8/9、7/9…1/9、0）、Li1Si1、Li2Si1、Li7Si2、锂/石墨烯、锂/硅烯、LixC6（x=1、0.5、0.33、0.2）等体系进行范德华力校正，系统的研究了锂在电极材料中vdW相互作用的大小及不同vdW函数对计算结果的影响。发现在这些电极材料中的锂都是以锂离子的形式存在，不需要考虑vdW相互作用。另一方面，vdW函数描述锂离子的vdW相互作用越精确，其计算结果就能更好的符合实验值。D2函数的计算结果与实验值相比会高估脱锂电压，这是因为D2函数在计算中高估了锂的vdW相互作用系数，TS、TSHI、TSSCS三种函数在计算金属锂时会严重低估锂的晶格常数与锂的自由能，TSHI函数的计算结果优于TS函数，由于TSHI函数能很好的根据体系的情况修正锂的C6值，所以TSHI与TSHIno-LivdW计算出的结果基本一样。对于TSSCS函数而言，在计算LixCoO2，Li1Si1，Li2Si1，Li7Si2体系时表现的都很差。而D3、D3bj、dDsC这三种函数，它们的C6值能根据原子所处的局部环境自动修正，计算的结果与实验值符合的都较好。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 计算材料学介绍

1.2 锂离子电池简介

1.3 本论文研究内容及意义

第2章 计算方法与晶格振动理论基础简介

2.1第一性原理简介

2.2 VASP软件包

2.3 晶格振动的理论基础及模拟计算

2.4 七种vdW函数介绍

第3章 声子色散曲线计算误差评估

3.1 计算方法与模拟

3.2 一维单原子链的声子色散曲线

3.3 一维双原子链的声子色散曲线

3.4 热力学性质

3.5 Li的声子色散曲线

3.6 本章总结

第4章 第一性原理探究锂离子电池中锂的范德瓦尔斯作用

4.1 计算方法与模拟

4.2 LixCoO2中Li的范德瓦尔斯相互作用

4.3 锂硅合金（Li1Si1/Li2Si1/Li7Si2）中Li的范德瓦尔斯相互作

4.4 石墨烯/硅烯中Li的范德瓦尔斯相互作用

4.5 LixC6中Li的范德瓦尔斯相互作用

4.6 本章总结

第5章 结论与展望

参考文献

致谢

在读期间公开发表论文（著）及科研情况