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鋰離子電池（LIB）的主要進(jìn)展取決于新型高性能電極材料的開發(fā)，這需要對(duì)其特性有基本的了解。在預(yù)測(cè)和解釋電極材料的特性和行為、理解原子尺度的充放電機(jī)制、提供合理的設(shè)計(jì)策略方面，第一性原理計(jì)算已成為開發(fā)用于高能量密度 LIB的新型電極材料的強(qiáng)大技術(shù)。

在此，北京工業(yè)大學(xué)尉海軍教授等人介紹了基于第一性原理計(jì)算的最新進(jìn)展，并強(qiáng)調(diào)了它們?cè)诋?dāng)代LIB正極材料研究中的寶貴作用。作者首先介紹了用于模擬LIB正極關(guān)鍵特性的第一性原理計(jì)算方法，包括密度泛函理論（DFT）、過(guò)渡態(tài)理論和輕推彈力帶方法（NEB）、從頭算分子動(dòng)力學(xué)（AIMD）、蒙特卡洛模擬（MC）和集群擴(kuò)展、從頭算原子熱力學(xué)（AIAT）等。

然后介紹了LIB正極的三種代表性反應(yīng)場(chǎng)景，即金屬陽(yáng)離子氧化還原、混合陽(yáng)離子和陰離子氧化還原以及純陰離子氧化還原，展示了如何計(jì)算與結(jié)構(gòu)組件相關(guān)的材料屬性，包括平衡晶體結(jié)構(gòu)、相變和穩(wěn)定性、電池電壓和容量、離子擴(kuò)散機(jī)制、陽(yáng)離子無(wú)序和離子摻雜。此外，還給出了結(jié)合實(shí)驗(yàn)的第一性原理計(jì)算示例，包括晶疇演化、離子摻雜劑選擇、離子遷移、新材料預(yù)測(cè)等。

圖1. 基于第一性原理計(jì)算的方法、材料性能、電化學(xué)參數(shù)

最后，作者對(duì)LIBs中第一性原理計(jì)算的挑戰(zhàn)和未來(lái)方向進(jìn)行了總結(jié)和展望：

（1）在理論模型和實(shí)際材料之間架起橋梁，開發(fā)和整合從原子到宏觀尺度的多尺度計(jì)算技術(shù)；

（2）虛擬篩選出數(shù)百萬(wàn)種材料用于特定應(yīng)用，預(yù)測(cè)未知化合物，從而降低實(shí)驗(yàn)成本；

（3）在理論認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上考慮局部原子結(jié)構(gòu)（元素、價(jià)態(tài)、鍵合、取向、堆疊等）的合理設(shè)計(jì)和晶疇電池材料的制備；

（4）需要更復(fù)雜的表征工具來(lái)深入了解電池特性。

圖2. 陽(yáng)離子/陰離子氧化還原反應(yīng)激活正極的計(jì)算研究展望

First-principles computational insights into lithium battery cathode materials, Electrochemical Energy Reviews 2021. DOI: 10.1007/s41918-021-00115-5

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北工大尉海軍EER綜述：用于鋰電池正極材料的第一性原理計(jì)算

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