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锂离子电池电极材料黑磷与LiMn₂O₄的第一性原理研究

作　者: 曾祥明
导　师: 欧阳楚英
学　校: 江西师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 锂离子电池第一性原理计算黑磷 LiMn2O4 电子结构扩散势垒
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

基于密度泛函理论,本文主要研究了黑磷储锂的离子动力学性能以及LiMn₂O₄（001）表面Mn原子的氧化态及其对材料性能的影响。一、通过采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对锂离子电池负极材料黑P在嵌锂过程中的产物LiP5、Li₃P₇以及LiP的体态几何与电子结构进行了系统的研究与分析。利用CINEB（Climbing Images Nudged Elastic Band）方法计算了Li离子在LiP5、Li₃P₇和LiP材料中的扩散,首次从理论上得到了Li离子的扩散势垒,通过分析扩散维度和扩散激活能预言黑P充放电时的离子导电能力,为今后的理论研究和实验研究提供了有利的参考数据。二、利用密度泛函理论研究了λ-MnO₂与LiMn₂O₄体相和（001）表面的电子结构。在λ-MnO₂中,无论是体相或（001）表面Mn原子都为+4价。然而在LiMn₂O₄体相中,Mn原子呈现Mn3+和Mn4+的混合价态,而在LiMn₂O₄（001）表面,由于O原子配位数的降低,Mn呈现Mn3+价。在实际应用中,即使在锂离子浓度很低的时候,LixMn₂O₄ （001）表面也很容易形成Mn3+离子。在Al2O3包覆的LiMn₂O₄（001）表面,表面Mn原子的价态由+3变为+4,因此解释了为什么包覆的LiMn₂O₄可以提高锂离子正极材料的性能。

全文目录

摘要 3-4Abstract 4-7第一章绪论 7-18 1.1 引言 7-8 1.2 锂离子电池的诞生与发展 8-13 1.2.1 锂离子电池的诞生 8-10 1.2.2 锂离子电池的工作原理 10-12 1.2.3 锂离子电池的发展与应用 12-13 1.3 碳负极材料 13-14 1.4 尖晶石结构的LiMn_2O_4 14-16 参考文献 16-18第二章第一性原理计算方法概述 18-28 2.1 绝热近似 18-19 2.2 密度泛函理论 19-22 2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理 19-20 2.2.2 Kohn-Sham 方程 20-21 2.2.3 局域密度近似和广义梯度近似 21-22 2.3 赝势平面波方法 22-23 2.4 能带电子的平面波基底展开 23-24 2.5 结构优化 24-25 2.6 VASP 软件包的简单介绍. 25-26 参考文献 26-28第三章 LiP_5、Li_3P_7、LiP 的离子动力学计算 28-39 3.1 引言 28 3.2 理论计算方法和模型 28-29 3.3 结果和分析 29-37 3.3.1 LiP_5、Li_3P_7、LiP 的晶格结构和电子结构 29-32 3.3.2 平均嵌入电压 32-33 3.3.3 Li 在LiP_5、Li_3P_7、LiP 中的扩散 33-37 3.4 本章小结 37-38 参考文献 38-39第四章 Al_2O_3包覆LiMn_2O_4(001)表面Mn 原子的氧化态 39-47 4.1 引言 39-40 4.2 计算方法 40 4.3 结果和讨论 40-44 4.4 总结 44-45 参考文献 45-47第五章结论与展望 47-48硕士期间论文发表情况 48-49致谢 49

锂离子电池电极材料黑磷与LiMn2O4的第一性原理研究

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