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    1. MedeA案例三十六:MedeA在鋰電池負極材料中的應用

      2019-03-15 14:32:22 來源:源資信息科技(上海)有限公司

      新聞摘要:Li電池的負極主要都采用石墨碳及其衍生物。如何選擇負極材料主要取決于材料的低成本及其電化學性質。但是,石墨碳的鋰存儲容量較低,約為372 mAh g-1。硬碳基負極材料為介孔材料,其表面積更大,鋰存儲容量更大,鋰離子的轉移也更快,更能滿足我們對鋰離子電池負極的要求。

      1.?研究背景

      Li電池的負極主要都采用石墨碳及其衍生物。如何選擇負極材料主要取決于材料的低成本及其電化學性質。但是,石墨碳的鋰存儲容量較低,約為372?mAh g-1。硬碳基負極材料為介孔材料,其表面積更大,鋰存儲容量更大,鋰離子的轉移也更快,更能滿足我們對鋰離子電池負極的要求。

      本案例中,作者采用單步水熱合成法制備了N摻雜的多層多孔硬碳納米球負極材料,隨后采用了DFT研究了在鋰化過程中N摻雜對硬碳材料體積膨脹及鋰存儲容量的影響。


      2. 建模與計算方法

      首先,作者通過Welcome?MedeA?Bundle模塊中的Surpercell?Builders創建了一個a=b=c=7.5?的超晶胞碳結構。再通過MedeA-VASP模塊中的第一性原理分子動力學計算獲得無序的碳結構。最后采用隨機取代功能Random?Subsitutions將9.25%的C原子(5個C原子)隨機取代為N原子,創建N摻雜結構。對于鋰化后的結構,采用Find?Empty?Space工具分析整個結構的空穴位置及半徑,選取半徑最大的位置插入Li離子,創建鋰化后的結構。

      在MedeA-VASP計算過程中,采用自旋極化DFT方法,泛函選取GGA-PBE,范德華相互作用采用DFT-D2近似,截斷能為520?eV,k點為4x4x4。


      3. 結果與討論

      3.1?鋰化過程中的陽極結構

      圖1??a-d為插入0,3,6,9個鋰離子未摻雜N原子的無序C結構;e-h為插入0,3,6,9個鋰離子摻雜N原子的無序C結構


      首先,作者先創建未摻雜及摻雜N原子的C結構(未摻雜結構為圖1(a),摻雜5個N原子,即濃度9.25%結構為圖1(e)),再通過改變插入Li離子的個數(3,6,9)模擬鋰化過程。


      3.2?體積膨脹比例及膨脹系數

      摻雜N之后,體積膨脹比例明顯變小,但對Li含量作圖,始終維持線性關系,如圖2(a)。然而,膨脹系數則不同,隨著N原子的摻雜,膨脹系數急劇降低,但對Li含量作圖為非線性關系。這預示著N的摻雜能夠提升陽極材料的容量維持能力。


      圖2??(a)為鋰化過程中無序C結構摻雜N原子前后的體積膨脹比例圖;(b)為鋰化過程中無序C結構摻雜N原子前后的膨脹系數圖


      3.3?電導

      電導與費米能級處的態密度成正比,由圖3可知,摻雜N原子之后,費米能級處的態密度值為摻雜之前的2倍左右,而總態密度的增加主要原因則為N原子態密度的貢獻。因此,N摻雜之后,電導會成倍提高,則意味著材料的電子傳輸能力也大大提高。


      圖3??摻雜N前后的無序C(C54)的態密度對比圖


      4. 結論

      綜上,作者通過水熱合成法制備了摻雜N的硬碳納米球作為鋰電池的負極,通過實驗手段及DFT方法對比了摻雜N前后的負極材料的電子性質。DFT結果表明1)摻雜N之后,膨脹系數急劇降低,負極材料的容量維持能力增強,Li離子容量增加;2)摻雜N之后,電導增大,電子轉移能力提升。通過實驗結合理論計算的手段,作者對Li離子電池負極材料提出了更系統全面的見解。同時,MedeA的友好界面也能夠為實驗科學家提供更加直觀簡便的解決方案。


      參考文獻

      Ashutosh Agrawal,?K. Biswas, S. K. Srivastava, Sudipto Ghosh, Effect of N-doping on hard carbon nano-balls as anode for Li-ion battery: improved hydrothermal synthesis and volume expansion study, Journal of Solid State Electrochemistry, published online: 28 July, 2018

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      l?Welcome to MedeA Bundle

      l?MedeA-VASP


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