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Materials Studio在电池设计中的应用

Materials Studio在电池设计中的应用

作者:
泰科
2020/12/18
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【摘要】:
Materials Studio是一个完整的多尺度模拟平台,本文介绍了在电极材料和电解质材料两方面的多个应用实例。

 

近年来,理论模拟已成为材料研究领域的重要手段,在各大顶刊发表的材料相关工作中,有约70%使用了模拟计算进行预测或解释分析。特别是在电池催化领域,理论模拟已经成为主要的分析和证明工具。

 

电池的工作机理是比较复杂的,用单一的计算工具无法进行全面、清晰的解释。Materials Studio是一个完整的多尺度模拟平台,能进行量子、原子、介观尺度模拟。通过多尺度模拟,研究者能够在不同空间和时间尺度下更精确的评估材料的性能。此外,Materials Studio的用户界面操作简单,具有强大的建模功能。因此建模-计算-分析整个流程都可以在平台上进行。

 

一. 电极材料

1.电子导电性:通过计算电子结构预测材料电子导电性能。

2.离子扩散模拟:可以模拟离子在材料中的扩散,获得离子扩散迁移路径、均方根位移,计算电导率。

3.理论容量:计算分子在特定材料或晶面的吸附能、吸附位、吸附量,从而计算理论容量。

4.开路电压:通过对吸附能的计算,获得开路电压。

5.结构转变模拟:模拟电极材料体积和结构在脱(嵌)离子时变化,分析结构稳定性和循环性。

6.相图计算:模拟材料相图,预测中间相、研究相转变、判断结构稳定性等。

7.界面模拟:模拟电极与电解液、添加剂或SEI膜等的界面相互作用,锂的枝晶生长及抑制机理、特定晶面的反应活性等。

8.材料改性模拟:模拟掺杂、缺陷、包覆等改性手段对材料性质的影响。

 

案例一: SnS2中嵌入石墨烯改进团聚现象

SnS2在充电/放电循环过程中容易堆叠,性能并不理想。在SnS2中嵌入石墨烯进行共价修饰,可以有效的抑制这种堆叠现象,并且可以提高Li的扩散系数。

图1 (a)三明治结构SnS2/rGO/SnS2的分子模型。(b)体系能量与层间距d的依赖关系。

(c)含Li+/Na+的SnS2/rGO/SnS2复合结构1×2×1超胞模型。(d) Li+和Na+扩散系数D与层间距的关系。

参考文献:ACS Nano 2019, 13, 9100−9111

 

案例二:无序化磷铁钠矿NaFePO4提高Na+扩散机制

通过调整球磨参数,制备了具有不同无序度的NaFePO4多态复合材料,而这种非晶相可以提高钠离子电池的电化学性能。通过模拟计算解释了其中内在的机制。发现在无序化过程中,FeO6八面体转变为不同的FeOn多面体,是钠离子电池获得优异性能的关键。

图2 Na扩散机制示意图。

参考文献:Journal of Power Sources 438 (2019) 227016

 

案例三:双金属氧化物Sb2MoO6 / rGO作为高性能钾离子电池负极的性质

结合电化学表征、X射线衍射、透射电子显微镜和密度泛函理论计算,探讨了钾化/去钾化的机理,成功地揭示了高性能阳极的性质和Sb、Mo在Sb2MoO6中的作用。发现Sb纳米颗粒在充/放电时,能够与K+结合/脱离,提供高容量,而Mo元素不仅提高了电导率,而且形成了非晶态基体,缓解了Sb在充放电过程中的体积变化,有效地提高了速率性能和循环性能。

 

图3 Sb2MoO6中钾化与脱钾路径。

参考文献:Adv. Sci. 2019, 6, 1900904

 

二. 电解质材料

1.反应机理研究:研究电解质中的反应机理、反应路径、反应能垒。

2.SEI膜机理研究:模拟SEI膜的生长、成分、电导率、力学性质等。

3.离子扩散模拟:模拟离子在电解质中的扩散能力,获得离子扩散迁移路径、均方根位移等。

4.固态电解质模拟:计算固态电解质的离子电导率和稳定性等。

5.界面作用模拟:模拟电解质与添加剂、电极或SEI膜等的相互作用。

6.光谱计算:模拟NMR谱图、红外光谱、紫外可见光谱、拉曼光谱等。

7.分子轨道计算计算HOMO-LUMO轨道、共价键、能带、态密度等。

 

案例四:优化LiBF4电解液用于TiO2(B)负极钾离子电池

由于低温下锂离子电池的动力学反应较慢,因此提高锂离子电池的低温电化学性能是一个很大的挑战。为了提高锂离子电池中TiO2(B)阳极的低温电化学性能,设计了一种优化的LiBF4电解质配方。通过分子动力学模拟发现,优化配方时锂离子与溶剂的分离能是提高电化学性能的主要原因。

 

图4 分子动力学模拟的结构、能量以及分离能。

参考文献:Journal of Power Sources 453 (2020) 227908

 

案例五:通过理论计算设计用于全固态锂电池的双官能团聚合物电解质

固态聚合物电解质(SPEs)在解决锂电池的安全问题上有着巨大的潜力,但综合性能良好的固态聚合物电解质的设计一直是一个艰巨的挑战。对碳酸乙烯(EC)和乙氧基(EO)双官能团聚合物电解质的设计进行了理论计算,揭示了锂离子与不同官能团之间的相互作用以及锂离子迁移机理。

 

 

图5 (a) Li+在CPEG和PVC电解质中的配位环境。

(b) CPEG和PVC电解质中Li-O的径向分布函数。(c) 锂离子在CPEG和PVC电解质中的迁移机理。

参考文献:Journal of Power Sources 450 (2020) 227614

 

案例六:高供体数阴离子在贫电解液锂硫电池中的双功能

大量使用电解液是造成锂硫电池实际能量密度不高的主要原因之一。此外电解液在锂金属负极的大量分解也会导致容量衰减。但是硫正极在贫电解液情况下,又会极易钝化,导致活性物质利用率下降。将具有高供体数阴离子的锂盐LiNO3,添加到锂硫电池电解质中,并在贫电解液条件下测试了电池性能,揭示了LiNO3在贫电解液锂硫电池正负极反应中的双功能性。

图6 (a)、(b) 锂离子溶剂化结构示意图。(c)拉曼光谱。(d)径向分布函数。(e) x射线光电子能谱。

参考文献:Adv. Energy Mater. 2020, 2000493

 

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