sezon研究背景:
石墨经常作为Li电池的阴极,在Li电池工作时,其充电,放电状态由Li离子在石墨层间的脱出和嵌入这一动态过程来实现。试验表明,对石墨进行掺杂,如N,或者P等,可以提升电池的性能。本研究基于第一性原理模拟,采用VASP分别计算含缺陷,杂质元素N,O的石墨与纯石墨的电子结构信息,如差分电荷和态密度,分析其电子结构信息的差异;并且计算了Li离子在以上几种石墨材料中的扩散能垒,分析了缺陷对Li电池性能的影响。
具体步骤:
1) 分别构建纯的石墨(C),掺杂N和C空位缺陷的石墨(C1),以及掺杂了N,O,和C空位缺陷的石墨(C2);并进行结构优化。
2) 计算DOS和PDOS。分析可知掺杂元素对活性的影响。
C的总态密度以及各元素分态密度和轨道分态密度
C1的总态密度以及各元素分态密度和轨道分态密度
C2的总态密度以及各元素分态密度和轨道分态密度
3) 进一步分析计算Li离子在石墨层间的电子结构信息(图为差分电荷,从左到右分别是C, C1, C2)。红se区域电子聚集,绿se区域电子丢失。可以发现掺杂对活性影响很大 。
4) 选择合适的扩散路径,通过过渡态搜索,计算其扩散能垒。
Li在C, C1, C2中的扩散路径轨迹图(均是从上往下)
结论:C, C1, C2中Li离子的迁移能垒大小顺序为:C2<C1<C。即缺陷和掺杂可以减小Li离子的迁移能垒,有利于扩散。
关键计算参数:
从左到右以此为:基本参数 精度与收敛准则 几何优化参数 过渡态参数
总结:
过渡态搜索过程看似简单,实则暗藏玄机,好的初末态结构是解决问题的法宝。本研究中,Li离子容易被空位缺陷捕获,难以迁移,一旦Li离子落入“C陷阱”;,再难发挥其电流搬运的能力啦!
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