CN116911075B - 预测金属离子层状氧化物晶体结构演变的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种预测金属离子层状氧化物的晶体结构演变的方法和系统。本发明的方法基于第一性原理的密度泛函理论构建金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型，通过各相的脱金属量‑形成能图筛选出各相的不同脱金属量的最优构型，并确定各相的稳定构型，从而科学合理地预测金属离子层状氧化物的晶体结构演变过程。本发明的方法还可以通过计算各相稳定构型的脱金属电压，分析金属离子层状氧化物结构的稳定性和相转变电压范围，结果准确性高。
Description
技术领域
本申请涉及材料领域，具体涉及一种预测金属离子层状氧化物晶体结构演变的方法和系统。
背景技术
金属离子层状氧化物结构丰富，组成繁多，为基础科学研究和大规模产业化应用提供了巨大的探索空间和应用潜力。
近年来，碱金属离子电池尤其是钠离子电池的开发与筛选备受重视。传统的电池材料开发大多是基于“试错法”的方式，通过实验的手段控制变量进行筛选，整体研发周期较为漫长，缺乏理论指导，有成本高、效率低及难度大等问题，带来许多不确定性和困难，并且电极材料在充放电过程中会发生晶格扭曲并产生相变。
因此，提出一种可以精确而又简单的方法预测金属离子层状氧化物晶体结构演化，将会加速新型层状氧化物的研发。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题之一，本发明提供了一种预测金属离子层状氧化物晶体结构演变的方法和系统。本发明的方法从原子尺度出发，以第一性原理的密度泛函理论（DFT）为指导，基于金属离子层状氧化物各相的超胞模型构建各相的不同脱金属量模型并采集各相的不同脱金属量模型的形成能，得到脱金属量-形成能图，根据脱金属量-形成能图判断材料的结构稳定性，确定各相的稳定构型，通过稳定构型的相变过程预测金属离子层状氧化物的晶体结构演变过程，方法简单，结果准确。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种预测金属离子层状氧化物晶体结构演变的方法，包括如下步骤：
1）根据金属离子层状氧化物各相的超胞模型构建金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型；
2）采集所述金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型的形成能，构建各相的脱金属量-形成能图；
3）根据步骤2）所述脱金属量-形成能图筛选出各相的不同脱金属量的最优构型；
4）比较相同脱金属量下各相最优构型的能量，以能量最低的构型为该脱金属量下金属离子层状氧化物的稳定构型，不同脱金属量的稳定构型所在相的相变过程为金属离子层状氧化物的晶体结构演变过程。
优选地，步骤1）中，所述金属离子层状氧化物各相包括O3相、O2相、P相3和P2相中的一种、两种或多种；例如可以包括O3相和P3相。
优选地，步骤1）中，所述金属离子层状氧化物各相的超胞模型的构建方法包括：
构建金属离子层状氧化物各相的单胞模型，并优化所述金属离子层状氧化物各相的单胞模型；
利用MedeA软件对优化后的单胞模型进行扩胞；扩胞之后，在VESTA软件上进行格式转化，然后利用VASP软件基于DFT方法进行结构优化，得到所述金属离子层状氧化物各相的稳定结构。
本发明中所述构建金属离子层状氧化物各相的单胞模型是基于金属离子层状氧化物的原子构成、空间群和晶格参数。
优选地，上述优化所述金属离子层状氧化物各相的单胞模型包括利用VASP模拟计算包优化原子位置和晶胞参数。
进一步优选地，优化所述金属离子层状氧化物各相的单胞模型采用由以下参数构成的群组：平面波的截断能设置为510~530 eV，优选520 eV，每个原子受力标准为0.01~0.03 eV/Å优选0.02 eV/Å；费米能级采用高斯展宽，设置为0.04~0.06eV优选0.05 eV；计算自洽迭代过程中布里渊区采用Monkhorst-Pack 特殊K点采样方法，K点密度为0.02~0.04Å-1优选0.03Å-1。
为揭示脱金属过程中的相变问题，并且保证结果的合理性，模型中要含有足够数量的金属原子。因此，在优化的单胞模型的基础上构建超胞模型。
优选地，步骤1）中，构建所述金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型包括：
利用MedeA软件中的Random substitutions，随机生成不同脱金属量的模型，在VASP计算软件中采用DFT方法再进行优化。
优选地，所述金属离子层状氧化物中的金属离子包括碱金属离子、碱土金属离子、过渡金属离子中的一种或多种。进一步优选地，所述金属离子层状氧化物中的碱金属离子包括钠离子、锂离子、钾离子、铷离子和铯离子中的至少一种。进一步优选地，所述金属离子层状氧化物中的碱土金属离子包括镁离子。进一步优选地，所述金属离子层状氧化物中的过渡金属离子包括锌离子、钒离子、铁离子、镍离子、锰离子中的一种或多种。
优选地，所述金属离子层状氧化物中的金属离子包括金属A离子和掺杂金属M离子，其中，金属A离子和掺杂金属M离子不同，且金属A离子选自钠离子、锂离子、钾离子、铷离子、铯离子、镁离子、锌离子、钒离子中的一种或多种，掺杂金属M离子选自钠离子、锂离子、钾离子、铷离子、铯离子、镁离子、锌离子、钒离子、铁离子、镍离子、锰离子中的一种或多种。
优选地，步骤2）中，所述不同脱A金属量模型的形成能是以未脱A金属的金属离子层状氧化物和完全脱A金属的层状氧化物结构相作为参照计算得到。
优选地，步骤2）中，所述不同脱金属量模型的形成能为不同脱A金属量模型的形成能，计算公式为：ΔEf= [Et– xE1–(1–x)E2]/N，
其中，ΔEf表示不同脱A金属量模型的形成能，单位是电子伏特；
Et 表示脱A金属量为x的层状氧化物的能量，单位是电子伏特；
E1表示未脱金属A的层状氧化物的能量，单位是电子伏特；
E2表示全部脱A金属的层状氧化物的能量，单位是电子伏特；
x表示脱A金属量，0＜x＜1；
N表示脱A金属量x对应的脱A金属的个数。
需要说明的是，本发明所述“脱A金属量（x）”是指脱去的A金属的数量占所述金属离子层状氧化物超胞模型中A金属总数量的百分数；“脱钠量”是指脱去的钠的数量占所述钠离子层状氧化物超胞模型中钠的总数量的百分数，例如脱钠量x可以是1/9、2/9、3/9、4/9、5/9、6/9、7/9、8/9等。
需要说明的是，本发明中，脱A金属的个数N为正整数，其取值与构建的金属离子层状氧化物各相的脱A金属模型以及脱A金属量x有关，例如当A金属为钠时，N选自1~27之间的整数，例如可以是3，6，9，12，15，18，21，24或27等。
优选地，所述金属离子层状氧化物中包括碱金属离子A和掺杂金属离子M，步骤（1）中，所述金属离子层状氧化物的化学式为AMO2，所述不同脱金属量模型的化学式为A1-xMO2，其中x表示脱碱金属量，0＜x＜1。
进一步地，步骤2）中，所述不同脱金属量模型的形成能表示不同脱碱金属量模型的形成能，计算公式为：ΔEf= [Et(A1-xMO2)– xE(AMO2)–(1–x)E(MO2)]/N，其中，x表示脱碱金属A的量，0＜x＜1，ΔEf表示不同脱碱金属A量模型的形成能，单位是电子伏特；Et(A1-xMO2)、E(MO2)和E(AMO2)分别表示不同脱碱金属A量的碱金属离子层状氧化物A1-xMO2、全部脱碱金属A的MO2和碱金属离子层状氧化物AMO2的能量，单位是电子伏特，N表示脱碱金属A量为x时对应的脱碱金属A的个数。
优选地，所述金属A离子表示金属钠离子，掺杂金属M离子表示过渡金属铁离子、镍离子和锰离子。步骤1）中，所述金属离子层状氧化物的化学式为NaMO2，M包括Fe、Ni和Mn。步骤2）中，所述不同脱金属量模型的形成能表示不同脱钠量模型的形成能，计算公式为：ΔEf= [Et(Na1-xMO2)– xE(NaMO2)–(1–x)E(MO2)]/N，其中，x表示脱钠量，且0＜x＜1，例如x可以是1/9、2/9、3/9、4/9、5/9、6/9、7/9、8/9等；ΔEf表示不同脱钠量模型的形成能，单位是电子伏特（eV）；Et(Na1-xMO2)、E(NaMO2)和E(MO2)分别表示Na1-xMO2、NaMO2和 MO2的能量，单位是电子伏特（eV），N表示脱钠量为x时对应的脱钠的个数，例如N选自1~27之间的整数。步骤2）中，所述不同脱钠量模型的形成能是以未脱钠的钠离子层状氧化物NaMO2和完全脱钠的MO2结构相作为参照计算得到。
优选地，步骤2）和步骤3）中，所述脱金属量-形成能图是以脱A金属量x为横坐标，0＜x＜1，以计算得到的各相不同脱A金属量模型的形成能ΔEf为纵坐标，作图，得到的凸包图，其中，位于图中线上的点表示具有相对稳定性的结构相，位于线上方的点表示亚稳态的结构相。
进一步地，所述方法还包括步骤5）：根据所述各相的稳定构型的能量计算脱金属电压，获得晶体结构演变计算电压曲线图。
优选地，步骤（5）中，所述晶体结构演变计算电压曲线图是以脱A金属量x为横坐标，以计算得到的各相的稳定构型的脱A金属电压V为纵坐标，作图得到。进一步优选地，步骤5）中，所述脱金属电压表示脱A金属电压，计算公式为：V = [Et+ nE(A) – E3]/ne ，
其中，V表示脱A金属电压，单位是伏特；
Et表示脱A金属量为x的层状氧化物的能量，单位是电子伏特；
E(A)表示A金属的能量，单位是电子伏特；
E3表示脱A金属量为x–Δx的稳定构型的能量，单位是电子伏特；Δx表示两个相邻脱钠量x的差值，Δx>0；
e表示电子电荷量，单位是库仑；
n = 相邻两个不同脱A金属量模型转移电子摩尔数之差/A离子的价态，n>0。
优选地，所述晶体结构演变计算电压曲线图是以脱A金属量x为横坐标，以计算得到的各相的稳定构型的脱A金属电压V为纵坐标，作图得到。
优选地，A离子表示碱金属离子，步骤（1）中，所述金属离子层状氧化物的化学式为AMO2，所述不同脱金属量模型的化学式为A1-xMO2，M表示掺杂金属元素中的一种或多种，x表示脱碱金属量，0＜x＜1。在一些实施方式中，步骤5）中，所述脱金属电压为脱碱金属电压，计算公式为：V = [Et(A1-xMO2) + nE(A) – E(A1-x+ΔxMO2)]/ne ，其中，V表示脱碱金属电压，单位是伏特；Δx表示两个相邻脱钠量x的差值，Δx>0；Et(A1-xMO2)、E(A)和E(A1-x+ΔxMO2)分别表示脱碱金属量为x的碱金属离子层状氧化物A1-xMO2、碱金属A和脱碱金属量为x-Δx的稳定构型碱金属离子层状氧化物A1-x+ΔxMO2的能量，单位是电子伏特；e表示电子电荷量，单位是库仑；n=相邻两个不同脱A金属量模型转移电子摩尔数之差/A金属离子的价态，n>0。例如，A为碱金属时，其价态可以是+1，n为相邻两个A含量转移电子摩尔数之差。
优选地，所述晶体结构演变计算电压曲线图是以脱碱金属量x为横坐标，以计算得到的各相的稳定构型的脱碱金属电压V为纵坐标，作图得到。
更优选地，所述碱金属A表示金属钠，步骤5）中，所述脱金属电压为脱钠电压，计算公式为：V = [Et(Na1-xMO2) + nE(Na) – E(Na1-x+ΔxMO2)]/ne，其中，x表示脱钠量，0＜x＜1；Δx表示两个相邻脱钠量x的差值，Δx>0；V表示脱钠电压，单位是伏特；Et(Na1-xMO2)、E(Na)和E(Na1-x+ΔxMO2)分别表示Na1-xMO2、Na和稳定构型Na1-x+ΔxMO2的能量，单位是电子伏特（eV）；e表示电子电荷量，单位是库仑；n为相邻两个不同脱钠量模型转移电子摩尔数之差，n>0。
优选地，步骤5）中，所述晶体结构演变计算电压曲线图是以脱钠量x为横坐标，以计算得到的各相的稳定构型的脱钠电压V为纵坐标，作图得到。
进一步地，所述方法还包括步骤6）：根据所述晶体结构演变计算电压曲线图判断金属离子层状氧化物的结构稳定性和/或相转变电压范围值。
优选地，步骤6）中所述相转变电压范围值记为V1~V2，其中V1和V2分别表示根据步骤5）计算得到的任意两种不同相的脱金属电压值。
第二方面，本发明提供一种预测金属离子层状氧化物的晶体结构演变的系统，包括：
模型构建模块，用于构建金属离子层状氧化物各相的超胞模型和金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型；
信息采集模块，用于采集所述金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型的形成能，获得各相的脱金属量-形成能图；
数据处理模块，用于筛选所述金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量的最优构型，比较相同脱金属量时各相最优构型的能量获得该脱金属量时金属离子层状氧化物的稳定构型，从而确定金属离子层状氧化物的晶体结构的演变过程。
优选地，所述数据处理模块还被配置为基于各相的稳定构型的能量计算脱金属电压，获得晶体结构演变计算电压曲线图，判断金属离子层状氧化物的结构稳定性和/或相转变电压范围值。
优选地，所述金属离子层状氧化物中的金属离子包括碱金属离子（例如钠离子、锂离子、钾离子、铷离子、铯离子等）、碱土金属离子（如镁离子）、过渡金属离子（如锌离子、钒离子、铁离子、镍离子、锰离子等）中的一种或多种。
优选地，所述模型构建模块包括模型构建软件。优选地，所述模型构建模块还包括格式转化软件和模型结构优化软件。
优选地，所述模型构建模块包括MedeA软件。优选地，所述模型构建模块包括VESTA软件。优选地，所述模型构建模块包括VASP软件。
在一些实施方式中，利用MedeA软件对金属离子层状氧化物各相的单胞模型进行扩胞；然后在VESTA软件上进行格式转化，然后利用VASP软件基于DFT方法进行结构优化，得到所述金属离子层状氧化物各相的稳定结构，获得金属离子层状氧化物各相的超胞模型。
在一些实施方式中，基于金属离子层状氧化物各相的超胞模型，利用MedeA软件中的Random substitutions，随机生成不同脱金属量的模型，在VASP计算软件中采用DFT方法再进行优化，得到金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）构建金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型并采集各相的不同脱金属量模型的形成能，获得脱金属量-形成能图，分析各相的不同脱金属量模型结构的稳定性，筛选最优构型，确定稳定构型，从而科学合理地预测金属离子层状氧化物脱金属过程，进而预测金属离子层状氧化物的晶体结构演变过程，方法简单快捷，结果准确性高。
2. 本发明的方法还可以进一步根据计算所得各相的热力学稳定构型获得晶体结构演变计算电压曲线图，有助于深入分析碱金属离子电池尤其是钠离子电池的正极材料脱钠过程中的相转变机理，如电荷补偿机制、结构变化、轨道杂化作用等，还可进行掺杂或过渡金属空位等改性预测，为钠离子电池机理解释及改性研究提供理论指导，从原子尺度出发，为钠离子电池正极材料的开发与筛选提供理论基础。
附图说明
图1为本发明一种具体实施方式的预测钠离子层状氧化物的晶体结构演变的方法流程图。
图2为本发明实施例1中的O3相钠离子层状氧化物Na(NiFeMn)1/3O2构型图。
图3为本发明实施例1中的P3相钠离子层状氧化物Na(NiFeMn)1/3O2构型图。
图4为本发明实施例1中的O3-P3钠离子相层状氧化物Na(NiFeMn)1/3O2的形成能图。
图5为本发明实施例1中的O3-P3钠离子相层状氧化物Na(NiFeMn)1/3O2的计算电压图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例与附图，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于构成对本发明的任何限制。
钠离子电池近年来在大规模储能领域展现出优异的发展和应用前景。由于钠离子层状过渡金属氧化物正极材料 (NaxTMO2，TM一般为过渡金属，x≤1) ，具有比容量高、容易制备、电压可调和成本低的优势，在学术界和产业界得到了广泛的关注与研究。但较大的Na+半径和较强的Na+-Na+静电排斥作用，导致 NaxTMO2 具有多种结构类型和复杂的结构转变，以及由此形成了多重结构-性能关系。
第一性原理(First Principle)是根据原子核和电子相互作用的原理及其基本运动规律，通过量子力学原理求解薛定谔方程，从而预测材料性质的一系列理论方法。与第一性原理相对应的是基于经验参数的方法，包括分子动力学中的各种力场以及材料学中的经验公式，基于经验的特点使其缺乏可靠度与普适度，需要仔细验证。而第一性原理的出发点是薛定谔方程，从而避免了这个问题，只要给出材料的微观结构，理论上就能精确地算出各种性质。第一性原理计算目前已被广泛用于从原子尺度解释材料本征性能的形成机理，以及预测材料的物理化学特性。相比于实验研究，第一性原理计算在开发新材料方面有更高的效率，而且第一性原理计算可避免实验中各种不可控的实验变量，获得准确的性能规律。
VESTA（Visualization for Electronic and Structural Analysis）是一款用于晶体结构与电子结构可视化的软件。它可以用来将cif格式的晶体结构文件转换为POSCAR的形式以便进行VASP计算，除此以外，该软件还具有非常丰富的功能，包括但不限于编辑、获取各类晶体结构信息，绘制电荷密度、ELF图像（等值面）及二维切面等等。
MedeA是一款全功能材料设计及性质预测软件，它是领先的原子尺度下集数据库、建模、计算、性质预测和可视化结果分析为一体的全功能材料设计与性质预测平台。
VASP模拟计算软件包（Vienna Ab initio Simulation Package）是维也纳大学Hafner小组开发的进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟软件包。它是材料模拟和计算物质科学研究中最流行的商用软件之一。VASP通过近似求解Schrödinger方程得到体系的电子态和能量，既可以在密度泛函理论（DFT）框架内求解Kohn-Sham方程，也可以在Hartree-Fock（HF）的近似下求解Roothaan方程。采用周期性边界条件(或超原胞模型)处理原子、分子、团簇、纳米线(或管)、薄膜、晶体、准晶和无定性材料，以及表面体系和固体。
密度泛函理论(Density functional theory，缩写DFT)是一种研究多电子体系电子结构的方法。密度泛函理论在物理和化学上都有广泛的应用，特别是用来研究分子和凝聚态的性质，是凝聚态物理计算材料学和计算化学领域最常用的方法之一。
作为一种具体实施方式，本发明的预测金属离子层状氧化物晶体结构演变的方法，包括如下步骤：
1）根据金属离子层状氧化物各相的超胞模型构建金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型；
2）采集所述金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型的形成能，构建各相的脱金属量-形成能图；
3）根据步骤2）所述脱金属量-形成能图筛选出各相的不同脱金属量的最优构型；
4）比较相同脱金属量下各相最优构型的能量，以能量最低的构型为该脱金属量下金属离子层状氧化物的稳定构型，不同脱金属量的稳定构型所在相的相变过程为金属离子层状氧化物的晶体结构演变过程。
在一些实施方式中，步骤1）中，所述金属离子层状氧化物各相包括O3相、O2相、P相3和P2相中的一种、两种或多种；例如可以包括O3相和P3相。
在一些实施方式中，步骤1）中，所述金属离子层状氧化物各相的超胞模型的构建方法包括：
构建金属离子层状氧化物各相的单胞模型，并优化所述金属离子层状氧化物各相的单胞模型；
利用MedeA软件对优化后的单胞模型进行扩胞；扩胞之后，在VESTA软件上进行格式转化，然后利用VASP软件基于DFT方法进行结构优化，得到所述金属离子层状氧化物各相的稳定结构。
在一些实施方式中，所述构建金属离子层状氧化物各相的单胞模型是基于金属离子层状氧化物的原子构成、空间群和晶格参数。
在一些实施方式中，优化所述金属离子层状氧化物各相的单胞模型包括利用VASP模拟计算包优化原子位置和晶胞参数。
在一些实施方式中，优化所述金属离子层状氧化物各相的单胞模型采用由以下参数构成的群组：平面波的截断能设置为510~530 eV，优选520 eV，每个原子受力标准为0.01~0.03 eV/Å优选0.02 eV/Å；费米能级采用高斯展宽，设置为0.04~0.06eV优选0.05 eV；计算自洽迭代过程中布里渊区采用Monkhorst-Pack 特殊K点采样方法，K点密度为0.02~0.04Å-1优选0.03Å-1。
为揭示脱金属过程中的相变问题，并且保证结果的合理性，模型中要含有足够数量的金属原子。因此，在优化的单胞模型的基础上构建超胞模型。
根据本发明的一些实施方式，步骤1）中，构建所述金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型包括：
利用MedeA软件中的Random substitutions，随机生成不同脱金属量的模型，在VASP计算软件中采用DFT方法再进行优化。
根据本发明的一些实施方式，所述金属离子层状氧化物中的金属离子包括碱金属离子、碱土金属离子、过渡金属离子中的一种或多种。在一些实施方式中，所述金属离子层状氧化物中的碱金属离子包括钠离子、锂离子、钾离子、铷离子和铯离子中的至少一种。在一些实施方式中，所述金属离子层状氧化物中的碱土金属离子包括镁离子。在一些实施方式中，所述金属离子层状氧化物中的过渡金属离子包括锌离子、钒离子、铁离子、镍离子、锰离子中的一种或多种。
根据本发明的一些实施方式，所述金属离子层状氧化物中的金属离子包括金属A离子和掺杂金属M离子，其中，金属A离子和掺杂金属M离子不同，且金属A离子选自钠离子、锂离子、钾离子、铷离子、铯离子、镁离子、锌离子、钒离子中的一种或多种，掺杂金属M离子选自钠离子、锂离子、钾离子、铷离子、铯离子、镁离子、锌离子、钒离子、铁离子、镍离子、锰离子中的一种或多种。
根据本发明的一些实施方式，步骤2）中，所述不同脱A金属量模型的形成能是以未脱A金属的金属离子层状氧化物和完全脱A金属的层状氧化物结构相作为参照计算得到。
根据本发明的一些实施方式，步骤2）中，所述不同脱金属量模型的形成能为不同脱A金属量模型的形成能，计算公式为：ΔEf= [Et– xE1–(1–x)E2]/N，
其中，ΔEf表示不同脱A金属量模型的形成能，单位是电子伏特；
Et 表示脱A金属量为x的层状氧化物的能量，单位是电子伏特；
E1表示未脱金属A的层状氧化物的能量，单位是电子伏特；
E2表示全部脱A金属的层状氧化物的能量，单位是电子伏特；
x表示脱A金属量，0＜x＜1；
N表示脱A金属量x对应的脱A金属的个数。
根据本发明的一些实施方式，所述金属离子层状氧化物的化学式为AMO2，所述不同脱金属量模型的化学式为A1-xMO2，其中A表示碱金属元素，M表示掺杂元素，x表示脱碱金属量，0＜x＜1。
根据本发明的一些实施方式，步骤2）中，所述不同脱金属量模型的形成能为不同脱碱金属量模型的形成能，计算公式为：ΔEf= [Et(A1-xMO2)– xE(AMO2)–(1–x)E(MO2)]/N，其中，x表示脱碱金属量，0＜x＜1，ΔEf表示不同脱碱金属量模型的形成能，单位是电子伏特；Et(A1-xMO2)、E(MO2)和E(AMO2)分别表示不同脱碱金属量的碱金属离子层状氧化物A1-xMO2、全部脱碱金属A的MO2和碱金属离子层状氧化物AMO2的能量，单位是电子伏特，N表示脱碱金属量为x时对应的脱碱金属的个数。
在一些实施方式中，步骤2）中，所述不同脱碱金属量模型的形成能是以碱金属离子层状氧化物AMO2和完全脱碱金属A的MO2结构相作为参照计算得到。
根据本发明的一些实施方式，所述金属A离子表示金属钠离子，掺杂金属M离子表示铁离子、镍离子、锰离子，步骤1）中，所述金属离子层状氧化物的化学式为NaMO2。在一些实施方式中，步骤2）中，所述不同脱金属量模型的形成能为不同脱钠量模型的形成能，计算公式为：ΔEf= [Et(Na1-xMO2)– xE(NaMO2)–(1–x)E(MO2)]/N，其中，x表示脱钠量，且
0＜x＜1，例如x可以是1/9、2/9、3/9、4/9、5/9、6/9、7/9、8/9等；ΔEf表示不同脱钠量模型的形成能，单位是电子伏特（eV）；Et(Na1-xMO2)、E(NaMO2)和E(MO2)分别表示Na1-xMO2、NaMO2和MO2的能量，单位是电子伏特（eV）；N表示脱钠量为x时对应的脱钠的个数，例如N选自1~27之间的整数。在一些实施方式中，步骤2）中，所述不同脱钠量模型的形成能是以NaMO2和完全脱钠的MO2结构相作为参照计算得到。
根据本发明的一些实施方式，所述方法进一步包括步骤5）：根据所述各相的稳定构型的能量计算脱金属电压，获得晶体结构演变计算电压曲线图。
根据本发明的一些实施方式，步骤（5）中，所述晶体结构演变计算电压曲线图是以脱A金属量x为横坐标，以计算得到的各相的稳定构型的脱A金属电压V为纵坐标，作图得到。
根据本发明的一些优选实施方式，步骤5）中，所述脱金属电压为脱A金属电压，计算公式为：V = [Et+ nE(A) – E3]/ne ，
其中，V表示脱A金属电压，单位是伏特；
Et表示脱A金属量为x的层状氧化物的能量，单位是电子伏特；
E(A)表示A金属的能量，单位是电子伏特；
E3表示脱A金属量为x-Δx的稳定构型的能量，单位是电子伏特；Δx表示两个相邻脱钠量x的差值，Δx>0；
e表示电子电荷量，单位是库仑；
n = 相邻两个不同脱A金属量模型转移电子摩尔数之差/A离子的价态，n>0。
根据本发明的一些实施方式，所述晶体结构演变计算电压曲线图是以脱A金属量x为横坐标，以计算得到的各相的稳定构型的脱A金属电压V为纵坐标，作图得到。
根据本发明的一些实施方式，步骤（1）中，所述金属离子层状氧化物的化学式为AMO2，所述不同脱金属量模型的化学式为A1-xMO2，其中A表示碱金属，M表示掺杂金属，x表示脱碱金属A的量，0＜x＜1。在一些实施方式中，步骤5）中，所述脱金属电压为脱碱金属A的电压，计算公式为：V = [Et(A1-xMO2) + nE(A) – E(A1-x+ΔxMO2)]/ne ，其中，V表示脱碱金属电压，单位是伏特；Δx表示两个相邻脱碱金属A量x的差值，Δx>0；Et(A1-xMO2)、E(A)和E(A1-x+ΔxMO2)分别表示脱碱金属量为x的碱金属离子层状氧化物A1-xMO2、碱金属A和脱碱金属量为x-Δx的碱金属离子层状氧化物A1-x+ΔxMO2的稳定构型的能量，单位是电子伏特；e表示电子电荷量，单位是库仑；n= 相邻两个不同脱金属A量模型转移电子摩尔数之差/金属A离子的价态。例如当A为碱金属时，其价态是+1，n的值即为相邻两个A含量转移电子摩尔数。
在一些实施方式中，所述晶体结构演变计算电压曲线图是以脱碱金属A的量x为横坐标，以计算得到的各相的稳定构型的脱碱金属A的电压V为纵坐标，作图得到。
根据本发明的一些实施方式，A表示金属钠，步骤5）中，所述脱金属电压为脱钠电压，计算公式为：V = [Et(Na1-xMO2) + nE(Na) – E(Na1-x+ΔxMO2)]/ne ，其中，x表示脱钠量，0＜x＜1，例如x取值为1/9、2/9、3/9、4/9、5/9、6/9、7/9、8/9等，Δx表示两个相邻x的差值，Δx>0，例如Δx取值为1/9；V表示脱钠电压，单位是伏特；Et(Na1-xMO2)、E(Na)和E(Na1-x+ΔxMO2)分别表示Na1-xMO2、Na和稳定构型Na1-x+ΔxMO2的能量，单位是电子伏特（eV）；e表示电子电荷量，单位是库仑；n为相邻两个不同脱钠量模型转移电子摩尔数之差，n>0。
在一些实施方式中，步骤5）中，所述晶体结构演变计算电压曲线图是以脱钠量x为横坐标，以计算得到的各相的稳定构型的脱钠电压V为纵坐标，作图得到。
根据本发明的一些实施方式，所述方法进一步包括步骤6）：根据所述晶体结构演变计算电压曲线图判断金属离子层状氧化物的结构稳定性和/或相转变电压范围值。
根据本发明的一些实施方式，步骤6）中所述相转变电压范围值记为V1~V2，其中V1和V2分别表示根据步骤5）计算得到的任意两种不同相的脱金属电压值。
如图1所示，根据本发明一种具体实施方式，所述金属离子层状氧化物为钠离子层状氧化物NaMO2，M为过渡金属元素例如Fe、Ni和Mn等中的一种或多种元素，所述预测金属离子层状氧化物的晶体结构演变的方法，包括如下步骤：
（S1）构建并优化单胞模型：根据钠离子电池层状氧化物正极材料的原子构成、空间群及晶格参数，利用MedeA软件构建O3、O2、P3、P2等不同相的单胞模型，利用VASP模拟计算软件包进行原子位置和晶胞参数的优化，单胞模型采用由以下参数构成的群组：平面波的截断能设置为520 eV，每个原子受力标准为0.02 eV/Å；费米能级采用高斯展宽，设置为0.05 eV；计算自洽迭代过程中布里渊区采用Monkhorst-Pack 特殊K点采样方法，K点密度为0.03Å-1，整个计算过程中，均考虑自旋的影响；过渡金属添加原子的库仑能，计算结果中选用能量最低的模型作为最优模型，其晶胞参数与实验值相差±5％认为模型真实可靠。
需要说明的是，当钠离子层状氧化物NaMO2中过渡金属元素M不只一种时，过渡金
属层会有不同的排布方式，不同的过渡金属分别在不同层或多种过渡金属均匀排布在同一
层。当多种过渡金属排布在同一层时，需要将单胞模型首先扩胞为×的超晶格模
型，然后筛选出最优排布方式的模型。
（S2）构建超胞模型：利用MedeA软件，导入优化后的层状氧化物单胞模型并进行扩胞，之后在VESTA软件上进行格式转化，最后在VASP软件中采用DFT方法进行结构优化得到稳定的层状氧化物构型。
（S3）构建各相的不同脱钠量模型：利用MedeA软件中的Random substitutions，随机生成不同脱Na量的模型，采用VASP计算软件再进行优化，依次找出O3、O2、P3、P2等相的不同脱钠量的稳定结构。
（S4）数据采集和计算：采集各相优化后不同脱钠模型的能量，通过计算不同脱钠模型的形成能，画出每个相脱Na量-形成能图。
为了能够直观地比较不同脱钠量模型Na1-xMO2所有结构的相对稳定性，选取NaMO2和完全脱钠的MO2结构相作为参照，计算得到各相所有结构的形成能，形成能的计算公式为：形成能ΔEf= [Et(Na1-xMO2)– xE(NaMO2)–(1–x)E(MO2)]/N，其中，x表示脱钠量，0＜x＜1，例如x可以是1/9、2/9、3/9、4/9、5/9、6/9、7/9、8/9等，N表示脱钠量为x时对应的脱钠数量，取值可以是3、6、9、12、15、18、21、24等；Et(Na1-xMO2)，E(NaMO2)和E(MO2)分别为相应材料组分Na1-xMO2、NaMO2和MO2的能量，单位是电子伏特。
基于计算得到的形成能，画出Na1-xMO2各相形成能的凸包图。实线连接起来构成凸包，所有位于线上的点表示为具有相对稳定性的结构相，而线上方的点则表示为亚稳态。
（S5）确定最优构型：根据每个相脱Na量-形成能图筛选出各相的不同脱钠量的最优构型。
（S6）晶体结构演变预测：将步骤（S5）筛选出的各相的不同脱钠量的最优构型能量进行对比，能量低的构型相对稳定，稳定构型所在相组成的相变过程则为正极材料晶体结构演变过程。
（S7）计算脱钠电压：根据计算所得的Na1-xMO2的热力学稳定构型的能量，可以得到其脱钠电压，脱钠电压计算公式为：V = [Et(Na1-xMO2) + nE(Na) – E(Na1-x+ΔxMO2)]/ne，其中x表示脱钠量，0＜x＜1，例如x可以是1/9、2/9、3/9、4/9、5/9、6/9、7/9、8/9等；Δx表示两个相邻脱钠量x的差值，Δx>0，例如Δx取值为1/9；ΔEf表示不同脱钠量模型的形成能，单位是电子伏特；Et(Na1-xMO2)、E(Na)和E(Na1-x+ΔxMO2)分别表示Na1-xMO2、Na和Na1-x+ΔxMO2的能量，单位是电子伏特，n为相邻两个不同脱钠量的模型转移电子摩尔数之差，n>0。画出Na1- xMO2的计算电压图。
（S8）确定结构稳定性和/或相转变电压范围值：钠离子层状氧化物正极材料的相变发生的电压范围即通过脱钠电压计算公式计算出的电压值。
采用上述同样的方法即可以实现对其它碱金属离子（如锂离子、钾离子、铷离子、铯离子等）层状氧化物、碱土金属离子（如镁离子）层状氧化物、过渡金属离子（如锌离子、钒离子等）层状氧化物晶体结构演变的预测。
根据一些具体实施方式，本发明预测金属离子层状氧化物的晶体结构演变的系统包括：
模型构建模块，用于构建金属离子层状氧化物各相的超胞模型和金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型；
信息采集模块，用于采集所述金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型的形成能，获得各相的脱金属量-形成能图；
数据处理模块，用于筛选所述金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量的最优构型，比较相同脱金属量时各相最优构型的能量获得该脱金属量时金属离子层状氧化物的稳定构型，从而确定金属离子层状氧化物的晶体结构的演变过程。
在一些实施方式中，所述数据处理模块还被配置为基于各相的稳定构型的能量计算脱金属电压，获得晶体结构演变计算电压曲线图，判断金属离子层状氧化物的结构稳定性和/或相转变电压范围值。
在一些实施方式中，所述金属离子层状氧化物中的金属离子包括碱金属离子（例如钠离子、锂离子、钾离子、铷离子、铯离子等）、碱土金属离子（如镁离子）、过渡金属离子（如锌离子、钒离子、铁离子、镍离子、锰离子等）中的一种或多种。
在一些实施方式中，所述模型构建模块包括模型构建软件。在一些实施方式中，所述模型构建模块还包括格式转化软件和模型结构优化软件。
在一些实施方式中，所述模型构建模块包括MedeA软件。在一些实施方式中，所述模型构建模块包括VESTA软件。在一些实施方式中，所述模型构建模块包括VASP软件。
在一些实施方式中，利用MedeA软件对金属离子层状氧化物各相的单胞模型进行扩胞；然后在VESTA软件上进行格式转化，然后利用VASP软件基于DFT方法进行结构优化，得到所述金属离子层状氧化物各相的稳定结构，获得金属离子层状氧化物各相的超胞模型。
在一些实施方式中，基于金属离子层状氧化物各相的超胞模型，利用MedeA软件中的Random substitutions，随机生成不同脱金属量的模型，在VASP计算软件中采用DFT方法再进行优化，得到金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型。
实施例1
本实施例提供了一种基于第一性原理预测钠离子层状氧化物正极材料晶体结构演化的方法。所述方法具体如下：
第一步：优化单胞模型
利用MedeA软件，导入O3、P3相NaMnO2原胞，进行扩胞至[×]R30°超晶格模
型，用Fe、Ni原子替代三分之二Mn的位点，使Fe、Ni、Mn三种原子各占比三分之一，均匀有规
则的排列在3a层，在此基础上切003面，扩胞至3×3×1，建成Na(NiFeMn)1/3O2体相模型，优
化Na(NiFeMn)1/3O2模型。
第二步：调整优化参数
平面波的截断能设置为平面波收敛标准为520 eV，每个原子受力标准为0.02 eV/Å；费米能级采用高斯展宽，设置为0.05 eV；计算自洽迭代过程中布里渊区采用了3×3×1的Monkhorst-Pack 特殊K点采样方法；整个计算过程中，均考虑了自旋的影响。
为了解决过渡金属Fe、Ni、Mn原子中的局域电子的库仑相互作用，采用了具有外加Hubbard的U值修正的GGA+U方法。在计算时，对于Fe、Ni、Mn的有效U值设为4.9 eV、6.0 eV和4.9 eV（Ueff=U-J=4.9 eV、6.0 eV、4.9 eV）。
第三步：构建超胞模型
以第二步中优化完成的O3、P3相层状氧化物模型（分别如图2和图3所示）为基础，利用MedeA软件中的Random substitutions，构建O3、P3相脱1/9、2/9、3/9、4/9、5/9、6/9、7/9、8/9钠的构型，随机生成每个脱Na量的模型，获得初始脱Na晶体结构，采用VASP计算软件再进行优化。钠离子层状氧化物的初始模型共有27个钠，从脱钠量的不同以及同一脱钠量下脱钠位点的不同两个角度考虑所有脱钠量的排列组合。
第四步：数据采集
采集优化后O3、P3相不同脱Na模型的能量。为了能够直观地比较不同脱钠量模型所有结构的相对稳定性，选取Na(NiFeMn)1/3O2和完全脱钠的(NiFeMn)1/3O2结构相作为参照，计算得到各相所有结构的形成能，形成能的计算公式为：形成能ΔEf= [Et(Na1-x(NiFeMn)1/ 3O2)– xE(Na(NiFeMn)1/3O2)– (1– x)E((NiFeMn)1/3O2)]/N，其中，x表示脱钠量，取值1/9、2/9、3/9、4/9、5/9、6/9、7/9、8/9，N表示脱钠个数，取值分别为3、6、9、12、15、18、21、24；Et(Na1-x(NiFeMn)1/3O2)，E(Na(NiFeMn)1/3O2)和E((NiFeMn)1/3O2)分别为相应材料组分Na1-x(NiFeMn)1/3O2、Na(NiFeMn)1/3O2和(NiFeMn)1/3O2的能量，单位是电子伏特。
通过形成能画出O3、P3相脱钠Na量-形成能图（见图4）。比较筛选出O3、P3相不同脱Na的最优构型。O3、P3相不同脱钠量的最优构型的能量在表1中列出。
表1
第五步：确定稳定构型，预测晶体结构演变过程
将相同脱钠量的O3和P3相的最优构型能量进行比较，能量低的构型为稳定构型，稳定构型所在相即为稳定相，通过表1可得出脱钠量为1/9和2/9时，O3相的能量相比P3相的能量更低，即脱钠量为1/9和2/9时O3相为稳定相，而脱钠量为3/9、4/9、5/9、6/9、7/9和8/9时，P3相的能量相比O3相的能量更低，即此时P3相为稳定相。稳定相组成的相变过程则为晶体结构演变过程。
第六步：计算脱钠电压，确定材料结构的稳定性及相转变电压范围值
根据O3、P3相构型的最优构型能量可以得到O3、P3相不同脱钠量下的最优构型的脱钠电压曲线，根据计算公式：V = [Et(Na1-xMO2) + nE(Na) – E(Na1-x+ΔxMO2)]/ne ，所述脱钠电压的计算公式为：V = [Et(Na1-x(NiFeMn)1/3O2) + 3E(Na) – E(Na10/9-x(NiFeMn)1/ 3O2)]/3e，其中，x表示脱钠量，取值1/9、2/9、3/9、4/9、5/9、6/9、7/9、8/9，V表示脱钠电压，单位是伏特；Et(Na1-x(NiFeMn)1/3O2)、E(Na)和E(Na10/9-x(NiFeMn)1/3O2)分别表示Na1-x(NiFeMn)1/3O2、Na和Na10/9-x(NiFeMn)1/3O2的能量，单位是电子伏特（eV）；e表示电子电荷量，单位是库仑，n为相邻两个不同脱钠量的模型转移电子摩尔数之差，n>0，取值为n=Δx×N0=1/9×27 = 3，Δx取值为1/9，N0表示初始模型中钠的总数量，取值为27。分别画出O3和P3相的计算电压曲线图（见图5）。
由第五步可知，脱钠量为2/9-3/9是O3-P3的相变点，当脱钠量为x=2/9时，O3相为稳定相，由脱钠电压计算公式所得结果为3.1V；脱钠量x=3/9处P3相为稳定相，计算公式V =[Et(Na6/9(NiFeMn)1/3O2) + 3E(Na) – E(Na7/9(NiFeMn)1/3O2)]/3e，其中，E(Na7/9(NiFeMn)1/ 3O2)的能量对应为O3相稳定构型的能量，其计算电压结果为3.3V。在脱钠过程中，由O3和P3稳定相计算出的电压组成Na(NiFeMn)1/3O2充电过程的电压曲线，即充电过程Na(NiFeMn)1/ 3O2晶体结构演变为O3-P3，相转变对应的电压范围为3.1-3.3 V。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种预测金属离子层状氧化物晶体结构演变的方法，包括如下步骤：
1）根据金属离子层状氧化物各相的超胞模型构建金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型；
2）采集所述金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型的形成能，构建各相的脱金属量-形成能图；
3）根据步骤2）所述脱金属量-形成能图筛选出各相的不同脱金属量的最优构型；
4）比较相同脱金属量下各相最优构型的能量，以能量最低的构型为该脱金属量下金属离子层状氧化物的稳定构型，不同脱金属量的稳定构型所在相的相变过程为金属离子层状氧化物的晶体结构演变过程；
所述金属离子层状氧化物中的金属离子包括金属A离子和掺杂金属M离子，其中，金属A离子和掺杂金属M离子不同，且金属A离子选自钠离子、锂离子、钾离子、铷离子、铯离子、镁离子、锌离子、钒离子中的一种或多种，掺杂金属M离子选自钠离子、锂离子、钾离子、铷离子、铯离子、镁离子、锌离子、钒离子、铁离子、镍离子、锰离子中的一种或多种；
步骤2）中，所述不同脱金属量模型的形成能为不同脱A金属量模型的形成能，计算公式为：ΔEf = [Et– xE1–(1–x)E2]/N，
其中，ΔEf表示不同脱A金属量模型的形成能，单位是电子伏特；
Et 表示脱A金属量为x的层状氧化物的能量，单位是电子伏特；
E1表示未脱金属A的层状氧化物的能量，单位是电子伏特；
E2表示全部脱A金属的层状氧化物的能量，单位是电子伏特；
x表示脱A金属量，0＜x＜1；
N表示脱A金属量为x时对应的脱A金属的个数；
所述脱金属量-形成能图是以脱A金属量为横坐标，以计算得到的各相不同脱A金属量模型的形成能为纵坐标，作图，得到的凸包图，其中，位于图中线上的点表示具有相对稳定性的结构相，位于线上方的点表示亚稳态的结构相。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）中，所述金属离子层状氧化物各相包括O3、O2、P3和P2中的一种、两种或多种；和/或，
步骤1）中，所述金属离子层状氧化物各相的超胞模型的构建方法包括：
构建金属离子层状氧化物各相的单胞模型，并优化所述金属离子层状氧化物各相的单胞模型；
利用MedeA软件对优化后的单胞模型进行扩胞；扩胞之后，在VESTA软件上进行格式转化，然后利用VASP软件基于DFT方法进行结构优化，得到所述金属离子层状氧化物各相的稳定结构。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述构建金属离子层状氧化物各相的单胞模型是基于所述金属离子层状氧化物的原子构成、空间群和晶格参数；和/或，
优化所述金属离子层状氧化物各相的单胞模型包括利用VASP模拟计算包优化原子位置和晶胞参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，优化所述金属离子层状氧化物各相的单胞模型采用由以下参数构成的群组：
平面波的截断能设置为520 eV，每个原子受力标准为0.02 eV/Å；费米能级采用高斯展宽，设置为0.05 eV；计算自洽迭代过程中布里渊区采用Monkhorst-Pack 特殊K点采样方法，K点密度为0.03Å-1。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）中，所述构建金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型包括：
利用MedeA软件中的Random substitutions，随机生成不同脱金属量的模型，在VASP计算软件中采用DFT方法再进行优化。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属离子层状氧化物中的金属离子包括碱金属离子、碱土金属离子、过渡金属离子中的一种或两种以上。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，A离子表示钠离子，M离子表示铁离子、镍离子和锰离子，所述金属离子层状氧化物的化学式为NaMO2；
步骤2）中，所述不同脱金属量模型的形成能为不同脱钠量模型的形成能，计算公式为：ΔEf = [Et(Na1-xMO2)– xE(NaMO2)–(1–x)E(MO2)]/N，
其中，ΔEf表示不同脱钠量模型的形成能，单位是电子伏特；
Et(Na1-xMO2)表示不同脱钠量的层状氧化物Na1-xMO2的能量，单位是电子伏特；
E(NaMO2)表示钠离子层状氧化物NaMO2的能量，单位是电子伏特；
E(MO2)表示全部脱钠的层状氧化物MO2的能量，单位是电子伏特；
x表示脱钠量，0＜x＜1；
N表示脱钠量为x时对应的脱钠的个数。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤5）：根据所述各相的稳定构型的能量计算脱金属电压，获得晶体结构演变计算电压曲线图。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤5）中，所述脱金属电压为脱A金属电压，计算公式为：V = [Et + nE(A) – E3]/ne，
其中，V表示脱A金属电压，单位是伏特；
Et表示脱A金属量为x的层状氧化物的能量，单位是电子伏特；
E(A)表示A金属的能量，单位是电子伏特；
E3表示脱A金属量为x–Δx的稳定构型的能量，单位是电子伏特；Δx表示两个相邻脱钠量x的差值，Δx>0；
e表示电子电荷量，单位是库仑；
n =相邻两个不同脱A金属量模型转移电子摩尔数之差/A离子的价态，n>0；
所述晶体结构演变计算电压曲线图是以脱A金属量x为横坐标，以计算得到的各相的稳定构型的脱A金属电压V为纵坐标，作图得到。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤6）：根据所述晶体结构演变计算电压曲线图判断金属离子层状氧化物的结构稳定性和/或相转变电压范围值。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤6）中所述相转变电压范围值记为V1~V2，其中V1和V2分别表示根据步骤5）计算得到的任意两种不同相的脱金属电压值。
12.一种预测金属离子层状氧化物的晶体结构演变的系统，包括：
模型构建模块，用于构建金属离子层状氧化物各相的超胞模型和金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型；
信息采集模块，用于采集所述金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量模型的形成能，获得各相的脱金属量-形成能图；
数据处理模块，用于筛选所述金属离子层状氧化物各相的不同脱金属量的最优构型，比较相同脱金属量时各相最优构型的能量获得该脱金属量时金属离子层状氧化物的稳定构型，从而确定金属离子层状氧化物的晶体结构的演变过程；
所述金属离子层状氧化物中的金属离子包括金属A离子和掺杂金属M离子，其中，金属A离子和掺杂金属M离子不同，且金属A离子选自钠离子、锂离子、钾离子、铷离子、铯离子、镁离子、锌离子、钒离子中的一种或多种，掺杂金属M离子选自钠离子、锂离子、钾离子、铷离子、铯离子、镁离子、锌离子、钒离子、铁离子、镍离子、锰离子中的一种或多种；
所述不同脱金属量模型的形成能为不同脱A金属量模型的形成能，计算公式为：ΔEf =[Et– xE1–(1–x)E2]/N，
其中，ΔEf表示不同脱A金属量模型的形成能，单位是电子伏特；
Et 表示脱A金属量为x的层状氧化物的能量，单位是电子伏特；
E1表示未脱金属A的层状氧化物的能量，单位是电子伏特；
E2表示全部脱A金属的层状氧化物的能量，单位是电子伏特；
x表示脱A金属量，0＜x＜1；
N表示脱A金属量为x时对应的脱A金属的个数；
所述脱金属量-形成能图是以脱A金属量为横坐标，以计算得到的各相不同脱A金属量模型的形成能为纵坐标，作图，得到的凸包图，其中，位于图中线上的点表示具有相对稳定性的结构相，位于线上方的点表示亚稳态的结构相。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述数据处理模块还被配置为基于各相的稳定构型的能量计算脱金属电压，获得晶体结构演变计算电压曲线图，判断金属离子层状氧化物的结构稳定性和/或相转变电压范围值。
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