本文關(guān)鍵詞：鋰離子電池新型正極材料的第一性原理研究　出處：《中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：鋰離子電池廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備和動(dòng)力及儲(chǔ)能系統(tǒng)中。然而,現(xiàn)有材料不能完全滿足鋰離子電池高能量密度和快速充放電的發(fā)展要求。第一性原理計(jì)算不僅能夠解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、提供材料改進(jìn)方案,也能夠?yàn)樾虏牧显O(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)提供指導(dǎo),從而加快材料研究步伐。本文運(yùn)用第一性原理計(jì)算闡明單斜NaMnO_2和LiMnO_2脫嵌行為不同的原因,為L(zhǎng)i_2MoO_3改性提供元素替代選擇方案,設(shè)計(jì)新材料AMCO_3F(A為鋰或者鈉,M為Fe、Co、Ni和Mn)并預(yù)測(cè)其電化學(xué)性能如離子擴(kuò)散系數(shù)、電化學(xué)勢(shì)等。闡明了單斜相NaMnO_2和LiMnO_2脫嵌行為不同的原因。計(jì)算結(jié)果顯示,NaMnO_2中Mn離子難躍遷。但是,當(dāng)LiMnO_2中Li層局部產(chǎn)生3個(gè)空位時(shí),Mn離子就能躍遷進(jìn)入Li層,阻礙Li離子擴(kuò)散。Mn離子躍遷進(jìn)入Li層機(jī)制是雙空位機(jī)制,且在O層四面體間隙位存在一個(gè)明顯的亞穩(wěn)態(tài)。這一區(qū)別的根本原因是NaMnO_2和LiMnO_2中電荷分布和Mn-O鍵強(qiáng)度不同。研究Li_2MoO_3中Mo離子的躍遷機(jī)理,優(yōu)化選擇過渡金屬進(jìn)行元素替代,抑制脫鋰過程中的Mo離子遷移。計(jì)算發(fā)現(xiàn),當(dāng)Li層局部產(chǎn)生4個(gè)鋰空位時(shí),Mo離子容易從Li_2MoO_3中3b位置躍遷進(jìn)入Li層3a空位。Mo離子進(jìn)入Li層后,阻礙了Li離子的擴(kuò)散,影響Li離子動(dòng)力學(xué)性能。為了穩(wěn)定Mo離子,選擇設(shè)計(jì)過渡金屬元素(Nb,Pd,Sb,Ti,Sn,Tc,Ru)替代Li_2MoO_3中的Mo離子。計(jì)算顯示,Sb離子摻雜對(duì)于Li_2MoO_3中穩(wěn)定Mo離子和提高Li離子動(dòng)力學(xué)性能等綜合性能最好。以KCuCO_3F和KCaCO_3F為基礎(chǔ),分別以Li原子和Na原子替代K原子,以過渡金屬(Fe,Mn,Co,Ni)替代Cu,Ca原子,設(shè)計(jì)、構(gòu)建、優(yōu)化出新材料AMCO_3F。綜合考慮第一性原理計(jì)算所預(yù)測(cè)的材料的動(dòng)力學(xué)性能(電子電導(dǎo),鋰離子擴(kuò)散系數(shù))和熱力學(xué)性能(相穩(wěn)定性和電化學(xué)勢(shì)),指出LiCoCO_3F和LiFeCO_3F有望成為理想的鋰離子電池正極材料。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O469;TM912

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本文編號(hào)：1322056