MedeA在锂电池负极材料中的应用 N掺杂对锂电池负极材料硬碳纳米球的影响

2019-03-15 14:32:22 来源:源资信息科技(上海)有限公司

新闻摘要:Li电池的负极主要都采用石墨碳及其衍生物。如何选择负极材料主要取决于材料的低成本及其电化学性质。但是,石墨碳的锂存储容量较低,约为372 mAh g-1。硬碳基负极材料为介孔材料,其表面积更大,锂存储容量更大,锂离子的转移也更快,更能满足我们对锂离子电池负极的要求。

1. 研究背景

Li电池的负极主要都采用石墨碳及其衍生物。如何选择负极材料主要取决于材料的低成本及其电化学性质。但是,石墨碳的锂存储容量较低,约为372 mAh g-1。硬碳基负极材料为介孔材料,其表面积更大,锂存储容量更大,锂离子的转移也更快,更能满足我们对锂离子电池负极的要求。

本案例中,作者采用单步水热合成法制备了N掺杂的多层多孔硬碳纳米球负极材料,随后采用了DFT研究了在锂化过程中N掺杂对硬碳材料体积膨胀及锂存储容量的影响。


2. 建模与计算方法

首先,作者通过Welcome MedeA Bundle模块中的Surpercell Builders创建了一个a=b=c=7.5Å的超晶胞碳结构。再通过MedeA-VASP模块中的第一性原理分子动力学计算获得无序的碳结构。最后采用随机取代功能Random Subsitutions将9.25%的C原子(5个C原子)随机取代为N原子,创建N掺杂结构。对于锂化后的结构,采用Find Empty Space工具分析整个结构的空穴位置及半径,选取半径最大的位置插入Li离子,创建锂化后的结构。

在MedeA-VASP计算过程中,采用自旋极化DFT方法,泛函选取GGA-PBE,范德华相互作用采用DFT-D2近似,截断能为520 eV,k点为4x4x4。


3. 结果与讨论

3.1 锂化过程中的阳极结构

图1  a-d为插入0,3,6,9个锂离子未掺杂N原子的无序C结构;e-h为插入0,3,6,9个锂离子掺杂N原子的无序C结构


首先,作者先创建未掺杂及掺杂N原子的C结构(未掺杂结构为图1(a),掺杂5个N原子,即浓度9.25%结构为图1(e)),再通过改变插入Li离子的个数(3,6,9)模拟锂化过程。


3.2 体积膨胀比例及膨胀系数

掺杂N之后,体积膨胀比例明显变小,但对Li含量作图,始终维持线性关系,如图2(a)。然而,膨胀系数则不同,随着N原子的掺杂,膨胀系数急剧降低,但对Li含量作图为非线性关系。这预示着N的掺杂能够提升阳极材料的容量维持能力。


图2  (a)为锂化过程中无序C结构掺杂N原子前后的体积膨胀比例图;(b)为锂化过程中无序C结构掺杂N原子前后的膨胀系数图


3.3 电导

电导与费米能级处的态密度成正比,由图3可知,掺杂N原子之后,费米能级处的态密度值为掺杂之前的2倍左右,而总态密度的增加主要原因则为N原子态密度的贡献。因此,N掺杂之后,电导会成倍提高,则意味着材料的电子传输能力也大大提高。


图3  掺杂N前后的无序C(C54)的态密度对比图


4. 结论

综上,作者通过水热合成法制备了掺杂N的硬碳纳米球作为锂电池的负极,通过实验手段及DFT方法对比了掺杂N前后的负极材料的电子性质。DFT结果表明1)掺杂N之后,膨胀系数急剧降低,负极材料的容量维持能力增强,Li离子容量增加;2)掺杂N之后,电导增大,电子转移能力提升。通过实验结合理论计算的手段,作者对Li离子电池负极材料提出了更系统全面的见解。同时,MedeA的友好界面也能够为实验科学家提供更加直观简便的解决方案。


参考文献

Ashutosh Agrawal, K. Biswas, S. K. Srivastava, Sudipto Ghosh, Effect of N-doping on hard carbon nano-balls as anode for Li-ion battery: improved hydrothermal synthesis and volume expansion study, Journal of Solid State Electrochemistry, published online: 28 July, 2018

 

使用MedeA模块:

l Welcome to MedeA Bundle

l MedeA-VASP


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