CN111243686A - 一种层状正极材料结构稳定性的分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种层状正极材料结构稳定性的分析方法属于材料学(物理化学)领域。本发明包括构建用于分析层状正极材料结构稳定性的第一性原理模型，通过采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理对层状材料的结构进行优化，根据优化后材料的过渡金属‑氧八面体与锂‑氧八面体的键参数与角度参数，计算获得八面体的畸变程度，从而判断材料的结构稳定性。从原子尺度出发，为富锂正极材料的开发和改性提供理论基础。
Description
技术领域
本发明属于材料学(物理化学)领域，涉及一种层状正极材料结构稳定性的分析方法。
背景技术
锂离子电池因具有高能量密度和高能量转换效率等优点，被广泛的应用于各种电动工具和便携式电子设备以及储能领域，但实际锂离子电池的能量密度值通常小于300Wh/Kg，无法满足日益增长的市场需求，而正极材料是制约锂离子电池整体性能进一步提高的关键因素。
近年来，富锂层状过渡金属氧化物材料xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(M＝Co,Fe,Ni等)，因具有更高的放电比容量和较低的成本而受到广泛关注，被视为下一代锂离子电池正极材料的理想之选。富锂锰基层状结构氧化物正极材料可以看作由层状结构LiMO2与层状结构Li2MnO3之间的固溶体，但实际上材料颗粒中同时存在富锰纳米畴和富铁纳米畴，没有明确的边界。两种组分在结构上的相似性使它们可以达到原子级混合，但同时也带来了局域结构表征非常困难的问题,并且在充放电循环过程中，随着Li2O的生成和O2的溢出(导致过渡金属离子迁移，阴阳离子重排)以及Li+的过渡脱出，局部结构由层状岩盐结构转变为立方尖晶石相，这些结构的转变不利于Li+的脱嵌，从而造成了容量衰减。
综上所述，导致在充放电过程中发生的不可逆相变以及循环容量衰减是因为富锂正极材料自身结构的稳定性差，如何高效评价正极材料的稳定性成为突出的技术难题。
针对这些问题，一般通过经验的方法来解决，通常需要经历查阅文献、合成材料、改性实验、充放电测试等一系列过程，并且需要反复进行这一过程逐渐解决问题，高成本且耗费时间。另外CN104730065A公开了一种正极材料稳定性的评价方法，该方法将正极材料置于实验溶液中，经过由低到高变化的梯度温度存储后，通过离心、过滤获得液体样品，最后通过电感耦合等离子发射光谱测定该液体样品中金属离子浓度来评价正极材料的稳定性；
目前评价材料稳定性的方法都会涉及实验和测试等环节，其过程中的电池制备，数据测试，数据分析等均需要耗费大量的时间、人力和实验成本，并且会因为实验场地等条件限制测试数量，随着测试材料数量种类的增加测试方法过程会变得更加复杂，使分析效率大大降低。
发明内容
本发明的目的在于针对以上如何准确判断层状正极材料结构稳定性的问题，提出了一种简单、高效、经济的分析方法。
本发明所提出的方法适用于各种层状正极材料，包括纯相材料、掺杂材料和复合材料。
本发明的目的可以由以下技术方案实现：
一种层状正极材料结构稳定性的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)构建模型：针对层状正极材料的原子构成、空间群和晶胞参数，基于第一性原理密度泛函理论，利用Vienna ab initio simulation package(VASP)程序包构建晶胞模型；
(2)优化模型：采用模拟优化软件VASP对所构的层状正极材料晶胞模型进行结构优化，获得能量最低的最优结构模型；
(3)数据采集：采集优化后模型中过渡金属原子与氧原子组成的八面体和锂原子与氧原子组成八面体的键参数与角度参数；
(4)畸变度计算：将(1)步骤中获取的键参数与角度参数分别代入键长畸变公式和角度畸变公式，计算得到过渡金属-氧八面体与锂-氧八面体的畸变程度，判断材料的结构稳定性；
根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述(1)步中构建的层状正极材料模型包括LiCoO2、LiNiO2、LiFeO2、LiMnO2和Li2MnO3等具有层状特征的材料以及各种元素掺杂的层状材料。
所述(2)步中优化模型时采用由以下参数构成的群组：平面波的截断能设置为700e V；费米能级采用高斯展宽，设置为0.05e V；收敛标准为
计算自洽迭代过程中简约布里渊区中采用了5×5×2的Monkhorst-Pack k网格；整个计算过程中，均考虑了自旋的影响；过渡金属原了添加原子的库仑能。计算结果中选用能量最低的模型做为优化模型，其晶胞参数与实验值相差±5％认为模型真实可靠。
所述(3)步中采集的数据均来由优化后的输出文件在VESTA读取获得，键长为八面体中顶点原子到中心原子的距离，角度各键与相邻键的夹角，每个八面体中包括6个键参数与12个角度参数。
所述(4)步中所述角度畸变公式为
其中θi为八面体中各键与相邻键的夹角。
所述(4)步中所述键长畸变公式为
其中Ri为八面体中各键的键长,
为八面体中各键的平均键长。
所述(4)步中判断材料的结构稳定性的方法为：将不同材料的键长/角度畸变度进行对比，畸变度较小的材料相对稳定，从而分析出两种或两种以上材料间稳定性的强弱。
第一性原理计算通过量子力学可以确定材料的结构或基础性质，并实现原子级别的精确控制，是预测新材料结构和性能以及寻求解决现有材料存在问题的方式的最有利的工具，同时，极大的节省了实验成本。
本发明所述的分析方法以第一性原理计算为基础，从原子微观尺度揭示了层状正极材料微观结构和材料稳定性之间的关系，深入地探究了层状正极材料中过渡金属-氧八面体与锂-氧八面体的键长变化与角度变化引起的八面体结构畸变，通过畸变度结合键长度再评价各种正极材料的稳定性；其中过渡金属-氧八面体畸变度越大，正极材料稳定性越差；过渡金属-氧键越短，表明过渡金属离子与氧离子的共价性越强，相互作用形成的骨架在环过程中越不容易坍塌，结构稳定性越好；锂-氧键越短，表明锂离子不易越脱离束缚，在晶体结构中脱嵌越困难，活性就越差；
本发明的优点在于利用第一性原理计算方法在软件中从原子尺度模拟不同正极层状材料的晶胞结构，操作简单，易标准化；通过公式对模型数据分析处理，方便高效，评价标准统一；整个过程周期短，并且排除了人为因素造成的误差。是一种评价层状正极材料稳定性的有效分析方法，大大提高分析效率，为富锂材料的合成与改性提供理论指导。
具体实施方式
以下将对本发明的优选实施方式进行详细描述，但是应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，所做出的改动虽然不在本具体实施方式中，但是也包括在本发明的保护范围内。
实施1：
(1)从FindIt2009软件中搜索到LiCoO2的晶格系数为：
构建原始模型；
(2)调整优化参数，在本文中计算自洽迭代过程中简约布里渊区中采用了5×5×2的Monkhorst-Pack k网格，平面波的截断能设置为700eV，费米能级采用高斯展宽，其值设置为0.05eV。对体系结构进行完全驰豫，直至每个原子上受力收敛于
在整个计算过程中，均考虑了自旋的影响。Co原子不加U值；
(3)优化模型；
(4)优化后模型晶格系数为：
CoO6八面体中，八面体中心是Co原子，6个顶点是O原子，在八面体中Co与O形成的6根键长完全相等，长度为
12个相邻Co-O键的夹角中，6个夹角为92.926°，6个夹角为87.074°；LiO6八面体中，八面体中心是Li原子，八面体6个顶点是O原子Li与O形成的6根键长完全相等，长度为
12个相邻Li-O键的夹角中，6个夹角为92.581°，6个夹角为87.419°；
(5)由于各键长相等，则CoO6八面体和LiO6八面体由键长导致的畸变为0；
(6)将各角度代入
中，CoO6八面体的畸变度为3.25％和LiO6八面体畸变度为2.87％。
实施2：
(1)从FindIt2009软件中搜索到Li2MnO3的晶格系数为：
构建原始模型；
(2)调整优化参数，在本文中计算自洽迭代过程中简约布里渊区中采用了5×5×2的Monkhorst-Pack k网格，平面波的截断能设置为700eV，费米能级采用高斯展宽，其值设置为0.05eV。对体系结构进行完全驰豫，直至每个原子上受力收敛于
在整个计算过程中，均考虑了自旋的影响。Mn原子加U值，Mn原子的库仑能U＝4.5eV；
(3)优化模型；
(4)优化后模型晶格系数为：
MnO6八面体中，八面体中心是Mn原子，6个顶点是O原子，在八面体中Mn与O形成的6根键长中两键长为
两键长为
两键长为
12个相邻Co-O键的夹角中，4个夹角为93.571°，4个夹角为86.337°，2个夹角为86.847°，1个夹角为94.532°，1个夹角为91.773°；LiO6八面体中，八面体中心是Li原子，八面体6个顶点是O原子Li与O形成的6根键中两键长为
两键长为
两键长为
12个相邻Li-O键的夹角中，4个夹角为91.932°，4个夹角为87.958°，2个夹角为94.362°，1个夹角为89.071°，1个夹角为82.205°；
(5)将各键长代入
中，MnO6八面体的畸变度为0.55％和LiO6八面体畸变度为0.21％。
(6)将各角度代入
中，CoO6八面体的畸变度为3.85％和LiO6八面体畸变度为3.07％。
实例1中LiCoO2中，CoO6八面体和LiO6八面体的的键长畸变度均为0，CoO6八面体和LiO6八面体角度畸变度分别为3.25％和2.87％；实例2中Li2MnO3中，MnO6八面体的键长畸变度为0.55％和LiO6八面体键长畸变度为0.21％，MnO6八面体和LiO6八面体角度畸变度分别为3.85％和3.07％；对比发现，无论键长畸变还是角畸变，LiCoO2均小于Li2MnO3，证明LiCoO2的稳定性相比Li2MnO3更好，与实际认知相符合。
Claims (7)
1.一种层状正极材料结构稳定性的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)构建模型：针对层状正极材料的原子构成、空间群和晶胞参数，基于第一性原理密度泛函理论，利用Vienna ab initio simulation package(VASP)程序包构建晶胞模型；
(2)优化模型：采用模拟优化软件VASP对所构的层状正极材料晶胞模型进行结构优化，获得能量最低的最优结构模型；
(3)数据采集：采集优化后模型中过渡金属原子与氧原子组成的八面体和锂原子与氧原子组成八面体的键参数与角度参数；
(4)畸变度计算：将步骤(1)中获取的键参数与角度参数分别代入键长畸变公式和角度畸变公式，计算得到过渡金属-氧八面体与锂-氧八面体的畸变程度，畸变度较小的材料相对稳定，从而判断材料的结构稳定性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中构建的层状正极材料模型包括LiCoO2、LiNiO2、LiFeO2、LiMnO2和Li2MnO3或各种元素掺杂的层状材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中优化模型时采用由以下参数构成的群组：平面波的截断能设置为700e V；费米能级采用高斯展宽，设置为0.05e V；收敛标准为
计算自洽迭代过程中简约布里渊区中采用了5×5×2的Monkhorst-Pack k网格；计算结果中选用能量最低的模型做为优化模型，其晶胞参数与实验值相差±5％认为模型真实可靠。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中采集的数据均来由优化后的输出文件在VESTA读取获得，键长为八面体中顶点原子到中心原子的距离，角度各键与相邻键的夹角，每个八面体中包括6个键参数与12个角度参数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)中所述角度畸变公式为
其中θi为八面体中各键与相邻键的夹角。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)中所述键长畸变公式为
其中Ri为八面体中各键的键长,
为八面体中各键的平均键长。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)中判断材料的结构稳定性的方法为：将不同材料的键长/角度畸变度进行对比，畸变度较小的材料相对稳定，从而分析出两种以上材料间稳定性的强弱。
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2020
- 2020-03-14 CN CN202010178613.XA patent/CN111243686B/zh active Active
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