更安全更快更耐用的的鋰電池材料新體系

利用Materials Studio分子模擬平臺，調(diào)用各種模擬方法，如量子力學方法、分子力學和動力學方法、蒙特卡洛方法等，對電極材料的儲鋰容量、嵌鋰電位、電子導電性能、鋰離子擴散、脫嵌鋰過程中的體積和結(jié)構(gòu)變化、電化學窗口寬度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等指標進行計算，從而幫助研發(fā)人員可按預(yù)定目標去設(shè)計和發(fā)現(xiàn)更優(yōu)的新材料體系，指導實現(xiàn)合成。形成不斷深入的研究和開發(fā)，最終開發(fā)出能量密度更高、安全性能更好、充放電速度快的高性能鋰電池材料。
 

研發(fā)目標：提高電池的充放電效率

1、MS模擬正負極材料中鋰離子的擴散能壘

擴散能壘越低的材料，擴散速率越大，則相應(yīng)的倍率性能則越高，充電越快

圖中(a)-(d)為LiFePO4 及摻雜Mn、 Co、La的擴散能壘研究。

模擬結(jié)果表明，摻雜Co和La能降低鋰離子的擴散能壘，且摻雜La的效果優(yōu)于Co。

模擬為實驗正極材料合成中選擇合適的摻雜元素指明方向

2、MS模擬鋰離子的動態(tài)擴散過程及擴散系數(shù)

擴散系數(shù)越高的材料，擴散速率越大，則相應(yīng)的倍率性能則越高，充電越快

3、MS模擬電子電導

材料的離子電導率和電子電導率共同影響著材料的倍率性能，能帶結(jié)構(gòu)的帶隙越小，電子由價帶被激發(fā)到導帶越容易，本征載流子濃度就越高，電導率也就越高。

研發(fā)目標：提高電池的容量，無“里程焦慮”

1、MS模擬嵌鋰電壓

提升鋰離子電池的工作電壓是增大電池能量密度的重要途徑之一

2、MS模擬能量密度（質(zhì)量能量密度和體積能量密度）

3、MS模擬電解質(zhì)“電化學窗口”

電化學窗口是衡量電解質(zhì)穩(wěn)定性的一個重要指標，較寬的電化學窗口可使電解質(zhì)在較寬的電壓范圍內(nèi)保持電化學性能穩(wěn)定。

MS模擬LiFePO4和LiMnPO4的晶胞參數(shù)和嵌鋰電壓及與實驗結(jié)果的對比

電化學窗口為LUMO和HOMO軌道能級差。MS支持直接計算得到LUMO和HOMO能級

研發(fā)目標：電池無安全隱患，使用壽命長

1、MS模擬正負極材料嵌鋰脫鋰過程的結(jié)構(gòu)變化

脫鋰嵌鋰過程結(jié)構(gòu)變化更小的體系，有利于能量存儲和釋放過程中的化學穩(wěn)定性，電池壽命更長

2、MS模擬生成焓、吉布斯生成能

生成焓和吉布斯生成能數(shù)值越低則熱力學穩(wěn)定性越好，壽命更長

3、MS模擬力學性能參數(shù)：體模量、剪切模量、楊氏模量、泊松比和硬度

力學性能越好，電池壽命更長。