第一性原理计算在铜合金研究中的应用进展

第一性原理计算(DFT)在生物、化工、冶金、材料设计等多个学科与领域都发挥着重要的作用。本文总结了利用第一性原理计算在研究铜合金中合金相的稳定性、力学性质以及电子结构等方面的应用,并对第一性原理计算在铜合金中研究应用的现状与目前仍存在的问题进行了阐述,同时分析了第一性原理计算在今后铜合金研究中的应用方向。     

金属氧化物表面与界面的第一性原理热力学:一个研究实例

通过第一性原理计算研究,能够揭示和阐明材料相关表面与界面热力学性质,这是通向纳米和界面材料设计自由的重要一步,即以理想性能为目标,科学设计制备工艺参数,针对性地调控材料微观结构.以SnO2纳米颗粒表面和原位内氧化制备获得的Ag-SnO2界面计算研究为例,系统介绍这一计算研究策略.基于缺陷热力学模型,构建不同环境温度和氧分压条件下所对应的热力学平衡状态的表面和界面结构模型,计算评估其相应性能.通过一系列的第一性原理能量学计算,进一步构建出平衡状态的表面与界面相图.这些相图能够充分描述制备和服役过程中,工况对材料表面和界面微观结构和相应性能的影响和作用关系.介绍和讨论如何应用这些相图理解和科学设计相应材料的制备工艺.     

闪锌矿结构AlN、AlP和AlAs的介电和弹性性质的第一性原理研究

采用第一性原理赝势平面波方法对闪锌矿结构AlN、AlP和AlAs的电子结构，介电和弹性性质进行计算，结果表明：基于密度函数扰动理论计算的这些材料的介电和弹性性质与其它第一性原理和分子动力学计算值一致性较好，但与实验值之间有一定的差异：晶格参数的优化、赝势的选取和交换关联项的选择都对计算结果有较大影响。根据计算的弹性常数绘制了这些材料特征平面（101）面的弹性模量图，为这方面材料的力学研究提供参考。     

闪锌矿结构AIN、AIP和AlAs的介电和弹性性质的第一性原理研究

采用第一性原理赝势平面波方法对闪锌矿结构AIN、AIP和AlAs的电子结构,介电和弹性性质进行计算,结果表明:基于密度函数扰动理论计算的这些材料的介电和弹性性质与其它第一性原理和分子动力学计算值一致性较好,但与实验值之间有一定的差异:晶格参数的优化、赝势的选取和交换关联项的选择都对计算结果有较大影响.根据计算的弹性常数绘制了这些材料特征平面(101)面的弹性模量图,为这方面材料的力学研究提供参考.     

过渡金属氮化物的结合能第一原理计算

本文采用第一原理平面波赝势法计算出过渡金属氮化物的晶格常数,在此基础上计算该类物质晶格原胞的总能量,以及分别计算各单原子能量,进而利用结合能公式计算出该类晶体结合能.计算结果与试验值符合的很好,从而验证了通过第一原理计算可以准确的获得材料的很多特征参数.     

K掺杂正交相Ca2Si电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用第一性原理的平面波赝势方法和广义梯度近似(GGA),对K掺杂正交相Ca2Si前后的电子结构和光学性质进行比较分析。计算表明,掺K后正交相Ca2Si的能带向高能方向发生了偏移,形成直接带隙的p型半导体,禁带宽度为0.4318 eV,光学带隙变宽;掺杂K后价带主要是Si的3p态,Ca的3d、4s态以及K的3p、4s态的贡献。并利用计算的能带结构和态密度分析了K掺杂正交相Ca2Si前后的复介电函数、能量损失函数、反射光谱及吸收光谱,结果显示掺K增强了材料对太阳光谱中红外波段的能量利用。研究结果说明掺杂是改变材料电子结构和光电性能的有效手段,为Ca2Si材料光电性能的开发与应用提供了理论依据。     

锡镍合金负极材料Li嵌入性质的平面波赝势方法研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,对锡镍合金Ni2Sn和LiNi2Sn的电子结构进行计算.结果表明:负极材料Ni2Sn在脱嵌锂后,大量的镍原子将以团聚形式游离出来缓冲体积膨胀,体积膨胀率为8.418%,同时部分镍原子与锡原子形成较强共价键稳定基体骨架,抑制体积效应从而提高循环性能.这与实验规律一致.     

Ti2AlNb基合金的计算机模拟研究进展

简述了目前金属和合金计算机模拟研究中采用的相图计算技术，第一原理方法和埋入原子势方法，并给出了这些方法应用于Ti2AlNb基合金研究中所取得的一些成果。     

CdO电子结构的第一性原理计算

基于密度泛函理论(Density Functional Theory)框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了岩盐、氯化铯以及纤锌矿构型CdO的体相结构、电子结构和能量等属性.利用精确计算的能带结构和态密度,从理论上分析了CdO材料基态属性及其化学和电学特性,理论结果与实验结果相符合,这为CdO光电材料的设计与大规模应用提供了理论依据.同时,计算结果也为精确监测和控制这一类氧化物材料的生长过程提供了可能性.     

第一性原理计算FeF_2的磁性、结构及电子性能(英文)

采用第一性原理方法研究FeF2的磁性、电子结构和成键机理。通过计算不同U值下的的晶格参数和磁矩,获得最佳的有效U值(Ueff)为4eV,此时计算Fe的磁矩和晶格参数c与a的比值分别3.752μB和0.704,与实验结果吻合。此外,基于GGA+U方法,利用对电子局域函数,Bader电荷和总电荷的分析来研究FeF2的电子结构和成键机理,结果表明Fe和F之间含有离子键和共价键的特征。     

Mechanism of lithium insertion into NiSi2 anode material for lithium ion batteries

As a promising high capacity anode material for lithium ion batteries, the lithium insertion performance and possible insertion mechanism of binary alloy of NiSi2 were discussed. The initial lithium insertion of crystal NiSi2 can reach up to 600 mAh·g-1 , but large irreversible capacity occurrs simultaneously for serious structure transformation and the irreversible phase forms. XRD and XPS were employed to detect the crystal structure and composition changes produced by lithium insertion. The lithium insertion-extraction behavior of NiSi2 electrode is similar to that of silicon after the first discharge. The structure stability seems related to the non-stoichimometric Ni-Si compound formed by lithium insertion into NiSi2.     

动力锂离子电池正极材料的研究评述

通过衡量锂离子电池正极材料的安全性,认为LiMn2O4和LiMPO4可以作为动力电池的正极材料,综述LiMn2O4和LiMPO4正极材料的研究现状,重点对各种材料的合成、结构和性能进行总结和探讨.从目前来看,LiMn2O4仍然是主流的动力电池正极材料,但从长远来看,LiMPO4特别是Li3V2(PO4)3是动力锂电池正极材料的发展趋势.     

First Principles Studies on the Electronics Structures of (Li0.75Na0.25)(Fe0.75Mn0.25)PO4 Cathode Materials

采用第一性原理平面波赝势方法计算研究了在LiFePO4的Li位、Fe位和Fe/Li位共掺杂金属原子对材料的电性能和局部结构稳定性的影响关系。结果表明:Li位掺杂(Li0.75Na0.25)FePO4比Fe位掺杂Li(Fe0.75Mn0.25)PO4表现出更好的电子电导性,而局部结构稳定性刚好相反。但是Fe/Li位共掺杂对电子电导性和局部结构稳定性具有双重优化作用,这可能是由Na-2p电子与Li-s电子相互作用引起的。同时,根据计算差分电荷密度关系可以发现共掺杂后会有大量其他原子电荷向Li原子周围偏移,从而改善材料的电子电导性能。     

锂离子电池用石墨负极材料改性研究进展

石墨是目前商业化锂离子电池应用最广的负极材料,日益增长的市场需求对石墨负极材料的储锂性能提出了更高的要求。概述了锂离子电池的工作原理和石墨嵌锂机制,针对石墨负极材料理论比容量(372 mA.h/g)较低和电解液兼容性较差等问题,总结了近年来石墨负极材料的改性手段,主要分为表面改性和结构调控等2类,其中表面改性技术包括氧化和卤化处理,特点是通过调控界面化学性质,可增强石墨结构的稳定性,促进稳定SEI膜的形成,但对于石墨储锂容量的提升非常有限;结构调控包括剥层法和缺陷构筑法,特点是通过扩大石墨层间距、降低石墨维度及在石墨结构上构筑缺陷,从而增加锂离子的活性位点,提供更多锂离子扩散通道,缓解循环过程中的体积变化,改善石墨与电解液的相容性,显著提升石墨的储锂性能。最后对石墨负极材料的未来发展趋势进行了展望。     

Pulsed laser deposited Sb2Se3 anode for lithium-ion batteries

Sb₂Se₃ thin film has been successfully fabricated by reactive pulsed laser deposition and was investigated for its electrochemistry with lithium for the first time. The reversible discharge capacities of Sb₂Se₃/Li cells cycled between 0.3 and 2.5 V were found in the range of 530.5–660.7 mAh g⁻¹ during the first 100 cycles. By using ex situ X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and selected-area electron diffraction measurements, both classical alloying process and the selenylation/reduction of nanosized metallic antimony were proposed in the lithium electrochemical reaction of Sb₂Se₃. Sb₂Se₃ has high reversible capacity and good cycle performance, which makes it potential anode material for future lithium-ion batteries.     

Ag+-掺杂锂钒氧化物的合成及其电化学性能

报道了用V2O5湿凝胶、Li2CO3和Ag2CO3通过液相反应合成用于锂离子电池正极材料的Ag -LiV3O8.其前驱体和产品分别利用热分析(DTA-TG)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)技术进行表征.其电化学性能通过恒电流充放电、循环伏安法和交流阻抗技术进行研究.实验表明,活性材料在不同的放电倍率和1.8～3.6 V的电压范围内具有较高的首次放电容量;在0.15 C循环250次后保持180 mAh/g的放电容量.     

Synthesis and electrochemical properties of sol-gel derived LiMn2O4cathode for lithium-ion batteries

Spinel LiMn2O4 has been considered to be the most promising alternative cathode material for the new generation of lithium-ion batteries in terms of its low cost, non-toxicity and easy manufacture. The spinel lithium manganese mixed oxides were prepared from lithium nitrate, manganese nitrate and citric acid by asol-gel method and were characterized by thermogravimetric analysis, X-ray diffraction, cyclic voltammetry and constant current charging-discharging technique. The different sintering temperatures for different time have strong influence on the structure, initial discharge capacity and cycling performance of the lithium manganese oxide. It shows that the lithium manganese oxides sintered at 700 ℃ for 10 h have a single spinel structure and better electrochemical properties. The initial discharging capacity can be up to 125.9 mAh·g-1 , even after six cycles, it still retains 109.1 mAh·g-1 .     

Preparation and electrochemical properties of nanosized tin dioxide electrode material by sol-gel process

1　INTRODUCTIONTinoxideisawideenergy gapsemiconductorandhasfoundmanytechnologicalapplicationssuchascatalystsforoxidationoforganics,solid stategassen sorsandopticalelectronicdevices[1,2 ] .Recently ,sev eraltin oxide basedcompoundswerereportedtobegoodcandidatesasanodesforlithiumionbatteriesin steadofcarbonaceouselectrodes[36 ] ,theelectro chemicalreactionoccurringinthesecompoundsisnottheintercalationoflithiumintoahoststructure .Forbulksamplesofamorphousandcrystallinetinoxide ,adecomposition…     

磷酸铁锂正极墨水配制及其电化学性能研究

磷酸铁锂(LiFePO₄, LFP)作为锂离子电池正极材料因其放电容量大、价格低廉和对环境无污染受到广泛关注。本研究旨在制备出适用于微电子打印机的性能优良的磷酸铁锂及相应复合材料正极墨水。通过配制不同浓度的磷酸铁锂墨水并制备成电极,研究最优浓度墨水制备成电极的电化学性能。研究表明,倍率为0.1 C时,打印浓度为10%的磷酸铁锂电极放电比容量高达142 mAh·g^-1,基于磷酸铁锂具有较差的导电性,选择加入少量还原氧化石墨烯提高其导电性。还原氧化石墨烯质量分数为0.6%时,磷酸铁锂和还原氧化石墨烯复合材料放电比容量达152.1 mAh·g^-1,库伦循环效率为99.2%,说明引入还原氧化石墨烯有利于提高材料整体性能。     

Synthesis and electrochemical properties of novel silicon-based composite anode for lithium-ion batteries

A novel nano-Si dispersed composite containing lithium-rich component (lithium orthosilicate, etc.) has been prepared and investigated as a potential anode material for lithium-ion batteries. The composite was synthesized by mechanochemical reduction of SiO using lithium metal as reducing agent and graphite as grinding aid, further vacuum heat-treatment was performed to improve interfacial stability between different components. Compared with pure SiO and intrinsic silicon electrodes, the as-obtained composite electrode exhibited greatly improved cycling performance with a remarkable value of the first coulombic efficiency. The superior electrochemical properties were attributed to small absolute volume changes of nano-silicon particles, highly distribution of silicon phase and better buffering action of lithium-containing components.