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第一性原理计算在锂离子电池行业主要应用在哪

时间:2018-10-14 23:31来源:未知 作者:秒速赛车 点击:
随着全球经济及社会的发展,人们对于能源的需求及使用日益增长。环境污染和化石能源匮乏的问题日益显著,为了人类的可持续发展。寻求开发新能源和可再生资源迫在眉睫。太阳能

  随着全球经济及社会的发展,人们对于能源的需求及使用日益增长。环境污染和化石能源匮乏的问题日益显著,为了人类的可持续发展。寻求开发新能源和可再生资源迫在眉睫。太阳能和风能等新型能源虽然便利清洁,但是由于其自身受时空分布不均匀的特点限制在现阶段并不能广泛使用。作为化学储能装置,1以比功率高、能量密度大、寿命长、自放电率低和贮藏时间长等优点,被广泛应用于便携式电子设备、航天、军事装备及电动交通工具。目前,锂离子电池已逐步替代其他电池为主要的动力电池。另一方面,由于近年来智能电网及大规模储能领域的发展对锂离子电池的能量密度和功率密度提出了更高的要求,这使得开发具有高能量密度和大功率密度的新型锂离子电池尤为重要。

  深圳市兆新能源股份有限公司(以下简称“公司”)于2016年12月27日召开的第四届董事会第十五次会议及2017年1月13日召开的2017年第一次临时股东大会审议通过了《关于变更部分首次公开发行股票募集资金投资项目暨股权收购及资产出售的议案》,公司决定将首次公开发行股票募集资金投资项目中在建的“安徽白湖养殖有限责任公司渔场20MW分布式光伏发电项目”(以下简称“白湖渔场项目”)变更为已并网的“庐江县白湖镇梅山村养殖渔场20MW分布式光伏发电项目”(以下简称“梅山村项目”)。鉴于合肥晟日太阳能发电有限公司(以下简称“合肥晟日”)拥有梅山村项目,公司全资子公司深圳市永晟新能源有限公司(以下简称“深圳永晟”)的下属公司合肥市永聚太阳能电力开发有限公司采用承债式收购合肥晟日100%股权。

  第一性原理计算方法即从头算(ab initio)被广泛应用在化学、物理、生命科学和材料学等领域。它的基本思想是将多个原子构成的体系看成是由多个电子和原子核组成的系统,并根据量子力学的基本原理对问题进行最大限度的“非经验性”处理。它只需要5个基本常数(m0,e,h,c,kB)就可以计算出体系的能量和电子结构等物理性质。第一性原理计算可以确定已知材料的结构和基础性质,并实现原子级别的精准控制,是现阶段解决实验理论问题和预测新材料结构性能的有力工具。并且,第一性原理计算不需要开展真实的实验,极大地节省了实验成本,现已被广泛应用于锂离子电池电极材料的嵌脱锂机理探索、扩散能垒计算、结构稳定性、嵌锂容量机理研究等方面,为锂离子电池电极材料的制备和改性提供了有效的理论指导。

  由上位计算机、变频器、可编程控制器(PLC)等组成。为了实现对工作仪器的保护,将变频器、可编程控制器、传感器等安装在控制柜内。执行机构为异步电动机、差动行星减速机构,控制对象为带式输送机。

  其中,在领域,利用第一性原理计算为锂离子电池材料的设计提供的理论应用主要集中于以下几个方面:

  2017年1月,哈佛大学物理学家艾萨克·席维拉团队宣布,制造出了地球上最稀有、最珍贵的材料——金属氢,引起了许多人对高压物理的关注。然而2月22日,英媒报道,由于操作失误,这块唯一的金属氢消失了……

  但凡事都具有两面性,三元锂电池化学性质活泼的特性也同时让它具备了一定的不稳定性,就如上文中指出的很多因素都可能导致动力电池出现热失控,最终起火。区别于传统内燃机汽车起火,纯电动汽车起火,火焰大多会首先出现在汽车底盘并伴有“噼啪”声。那么,纯电动汽车起火相较传统内燃机汽车起火存在着哪些差异呢?

  锂离子嵌入电压是锂离子电池的一个重要参数,而理想的材料是正极材料的电压平台足够高、负极材料的电压平台足够低,才能得到较高的工作电压,进而为锂离子电池提供较高的能量密度。第一性原理可以通过计算材料基态的电子总能量计算出平均嵌锂电压(average intercalationvoltage,AIV),与实验测到的电压数值比较接近,其原理阐述如下,例如电极反应式:

  其次,中国在未来几年内,随着资本账户自由化,将发生资本外流海啸。

  其中,μcathode和μanode分别为锂原子在正负极材料中的化学势,z为反应过程中转移电子数,F是法拉第常数,△G为吉布斯(Gibbs)自由能。

  因此,只要计算反应前后的各物质的总能量,就可以利用公式(2)求解正极材料的平均电压。第一性原理计算可以比较准确地预测材料的平均嵌锂电压,与实验测到的电压数值比较接近,如Zhou等2人通过计算得正极材料LiNiPO4的电压为5.1V,而实验测试值为5.1V-5.3V。Chen等3通过计算所得正极材料LiFePO4的平均电压为3.2V,其实验值为约3.4V。另外, Hassan等4利用第一性原理计算所得到的RuO2负极材料工作电压曲线,与实验中所获得工作电压曲线变化趋势定性的符合。

  倍率性能是指电池在一定时间内放出其额定电容电流值。倍率性能越高的电池,放出相同容量的时间则越短,这有利于电池快速的充放电。材料的离子电导率和电子电导率共同影响着材料的倍率性能。高倍率下的充放过程不仅需要快速的离子扩散,也需要快速的电子传导。

  早在1975年就有人开展了氢气治疗肿瘤的研究,后来2001年才有法国学者将高压氢用于治疗肝脏寄生虫感染的研究。早期的研究只能简单地观察氢气被动物呼吸后的反应,显然观察结果证明氢气对动物没有产生显著的影响。关于氢气的生物学效应,最热闹地当然属于潜水医学,因为氢气作为人类潜水呼吸的气体被国际许多重要的潜水医学研究单位深入研究,作为呼吸气体的最重要前提是该气体的安全性,就是不能对人体产生明显的影响,包括在极端高压下呼吸这种气体。许多年的潜水医学研究证明呼吸氢气是非常安全的,但也同时给人们一种深刻印象,呼吸氢气对人体是没有明显生物学效应的。2007年日本学者报道,动物呼吸2%的氢可有效清除强毒性自由基,显著改善脑缺血再灌注损伤,采用化学反应、细胞学手段证明,氢溶解在液体中可选择性中和羟自由基和亚硝酸阴离子。而后两者是氧化损伤的最重要介质,体内缺乏他们的清除机制,是多种疾病发生的重要基础。随后他们又用肝缺血和心肌缺血动物模型,证明呼吸2%的氢可以治疗肝和心肌缺血再灌注损伤。采用饮用饱和氢水可治疗应激引起的神经损伤和基因缺陷氧化应激动物的慢性氧化损伤。美国匹兹堡大学中心学者Nakao等随后证明,呼吸2%的氢可以治疗小肠移植引起的炎症损伤,饮用饱和氢水可治疗心脏移植后心肌损伤、肾脏移植后慢性肾病。国内第四军医大学谢克亮等的研究证明,呼吸氢气能治疗动物系统炎症、多器官功能衰竭和急性颅脑损伤。孙学军等的研究也证明,呼吸2%的氢可以治疗新生儿脑缺血缺氧损伤。随后,孙学军等成功制备了饱和氢注射液,并与国内40多家实验室开展合作,先后发现该注射液对疼痛、关节炎、急性胰腺炎、老年性痴呆、慢性氧中毒、一氧化碳中毒迟发性脑病、肝硬化、脂肪肝、脊髓创伤、慢性低氧、腹膜炎、结肠炎、新生儿脑缺血缺氧损伤、心肌缺血再灌注损伤、肾缺血再灌注损伤和小肠缺血再灌注损伤等具有良好的治疗作用。这些研究说明,氢是一种理想的自由基、特别是毒性自由基的良好清除剂,具有潜在的临床应用前景。

  据他介绍,今年以来,面对复杂的国际环境,我国有色金属工业深入践行五大发展理念,认真落实供给侧结构性改革,不断加强行业自律建设,全行业运行保持了相对稳定。

  利用第一性原理计算的方法,可以采用NEB(Nudged elastic band)和CI-NEB(A Climbing image nudged elastic band)的方法,对材料中锂离子的扩散能垒进行计算,而扩散能垒则对应着锂离子的扩散能,也就是扩散速率。扩散能垒越低的材料,其扩散速率越大,则相应的倍率性能则越高。像大家在文献中所看到的诸如此类的扩散能垒图5,都是通过第一性原理计算的方法进行计算的。N掺杂石墨烯能够改善负极材料的锂离子扩散速率,除了在实验中测得的实验值来验证外,也可以通过第一性原理计算来计算不加N掺杂石墨烯时材料中锂离子的扩散能垒,通过和加N掺杂石墨烯后的复合材料的锂离子扩散能垒进行对比来分析复合材料中扩散能垒的降低是否真的是引入N掺杂石墨烯引起的。

  安全性能一直是的一个重要指标,这影响了电极材料和电解液的选择,我国曾出现过车载锂离子电池起火的事故,正是因为电池在使用过程中造成短路导致的。所以,必须选择结构和热稳定性均良好的材料作为锂离子电池的电极材料。在锂离子电池正极材料充放电循环中,在深度脱锂时,正极材料可能会释放O2,这不仅会消耗电解液,更会导致爆炸,造成重大安全问题。

  利用第一性原理计算,可以通过计算材料缺陷的形成能和迁移能,来预测相稳定性。例如Hakim Iddir等6基于第一性原理计算,通过计算Co空位的形成能和迁移能,预测了xLi2MnO3?(1?x)LiMO2的相稳定性。Gao等7基于DFT和FPMD分析了Ti,V,Cr,Fe,Co,Ni,Zr和Nb等元素掺杂Li2MnO3材料中的Mn对于材料性能的影响,通过定义O的反应焓,计算吉布斯自由能,来研究掺杂后材料中O2生成的难易程度。Ti-,V-,Cr-,Co-,Ni-和Zr-doped在含Li量y=1.5之前达到零点,因此,其掺杂不能推迟O2的释放。而Fe-和Nb-doped在Li移除量超过0.5时仍未达到零点,表明其掺杂可以抑制材料在反应中的O2的生成,从而使得材料的安全性能得到提升,其理论计算的结果与实验掺杂得到的结果一致。

  电极材料的容量是电极中非常重要的性能,在第一性原理计算中,可以通过电极材料对锂原子的吸附能来进行容量的分析。吸附能的大小可以比较不同材料对锂原子的吸附能力,吸附能越大的材料,其吸附锂原子的能力则越强。但是,吸附能大的材料,其容量并不一定高。因为吸附能越大,如果其继续吸附锂原子后,吸附能降低的速率很大的话,那么这种材料的储锂容量便不会高。如果吸附能越大,当逐渐增加锂原子后吸附能的降低速率也很平缓时,这种材料就有可能拥有较大的储锂容量。锂原子有内聚能,也就是锂原子自身形成锂块体时所对应的能量。当锂原子在材料中的吸附能低于内聚能时,这时锂原子倾向于形成锂块体,而不再为电池的容量做贡献,也就是说,当我们利用第一性原理计算得到材料的吸附能低于锂块体的内聚能时,此时所对应的的储锂容量则为该材料的理论储锂容量。

  例如Wang等8利用第一性原理计算得到了(掺杂)石墨烯与金属氧化物负极材料的反应产物Li2O构成的界面储锂容量,为金属氧化物在实验中所观察到的额外容量的产生提供了机理的解释。

  北京市公安局朝阳分局备案编号9京ICP证070359号互联网药品信息服务资格证编号(京)-经营性-2014-0008新出发京零字第大120007号

  但是,第一性原理计算在现阶段锂离子电池领域中的应用也有局限性,因为实际电极材料的工作状态是在多种反应共存的条件下进行的,而通过第一性原理计算模拟的材料性能是在理想的平衡态条件进行的,这可能造成计算值与实验值产生一定的偏差。但是,通过第一性原理计算得到的数值可以定性的帮助实验工作者进行辅助分析,解释实验中存在的一些机理问题,为锂离子电池电极材料的设计提供一定的帮助。

  针对节能减排效果来说,根据我们的研究结果,着眼于长期应该将电动汽车作为汽车产业发展的主要方向。无论是提升传统汽车的燃油经济性,还是大规模普及混合动力汽车与其他类型的节能汽车,所能够带来的耗油和排放减少最终都将遇到瓶颈制约。因此从长远来看,纯电动汽车才是汽车工业未来的发展方向。然而,纯电动汽车对于技术的要求也最高,普及起来比混合动力汽车困难得多,短期内尚不具备全面推广的条件。因此,至少在未来二三十年中,混合动力汽车仍将会是汽车工业走向低碳之路的重要过渡。

  最后,给大家进行一个简单的词汇科普—VASP。大家看到的在领域第一性原理计算的文献中经常所看到的VASP一词,其实是Vienna Ab-intio Simulation Package的缩写,它是基于密度泛函理论并利用平面波赝势方法进行从头分子动力学和第一性原理计算电子结构计算的软件包,是目前材料模拟和计算材料科学研究中非常流行的商用软件。Vasp软件是由J. Furthmuller和G. Kresse首先开发和利用的,并在后期得到了不断的更新和完善,如今使用的Vasp软件包已相当成熟。

  (1)它给出了周期表中几乎全部元素的赝势,这些赝势已经经过充分的测试,形成了一个可用性非常高的赝势库。

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  (4)1个硫酸根离子含有1个硫原子和4个氧原子且带有2个单位的负电荷.表示原子团中原子个数的数字写在原子团符号中元素符号的右下角,因此硫酸根的符号表示为SO4;表示离子所带电荷数的数字写在离子符号的右上角,且数字在前(是“1”时省略),正负号在后,因此1个硫酸根离子表示为SO42-;表示离子个数的数字写在离子符号的前面,因此2个硫酸根离子表示为2SO42-.

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