鎂離子嵌入正極材料V2O5動力學過程的理論研究

《鎂離子嵌入正極材料V2O5動力學過程的理論研究》是依託西北大學，由周波擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鎂離子嵌入正極材料V2O5動力學過程的理論研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：周波
• 依託單位：西北大學

項目摘要

鎂離子二次電池是解決安全、大電量存儲的重要研究方向，而正極材料的性能對鎂離子電池的性能有非常重要的影響。本項目利用第一性原理方法，研究鎂離子在正極材料V2O5中的嵌入過程，通過擴散勢壘給出鎂離子在正極材料中嵌入-脫出機理，以及對循環穩定性等已報導實驗現象做出合理的分析和解釋；利用已報導的V2O5的多種異構體，結合動力學、熱力學穩定性分析，得到鎂離子在正極材料中存在的中間態產物或亞穩態產物，進而分析這些中間產物對電池性能的影響。同時通過計算分析拉曼、紅外光譜隨鎂離子嵌入量的變化情況，分析得到通過拉曼、紅外光譜快速計算鎂離子嵌入量的經驗公式；本研究豐富了二次電池的電極過程動力學理論，為鎂離子電池的實驗研究提供許多重要的理論數據。

結題摘要

由於二價鎂離子的極性大於一價鋰離子，基於五氧化二釩正極的鎂離子電池的正極過程與鋰離子電池有本質的差別。國外研究小組通過實驗發現，鎂離子可以在五氧化二釩薄膜正極中完全可逆地嵌入與脫嵌。但是，通過我們的第一性原理計算發現，鎂離子的嵌入與脫嵌機理並不同於鋰離子。鎂離子的嵌入往往伴隨著α-β相變過程，且該過程是一個無勢壘過程，鎂離子的濃度是其中一個重要的控制參數。這種相變的存在可以解釋實驗上觀察到的100%可逆嵌入與脫嵌，但這種相變往往會引起形貌的較大變化，導致循環穩定性較差。計算還發現鎂離子在正極材料中的擴散速率仍然很小，這種相變過程並不利於電池的套用。通過大量的振動性質的計算，發現基於ABINIT工具包和HGH贗勢的方法組合，對於過渡金屬氧化物振動性質的計算十分有效，可以得到與實驗符合得十分好的結果。該方法組合已經逐漸被大家廣泛使用。同時我們還發現，對於離子在薄膜結構上擴散行為的計算必須考慮到范德華力的影響。尤其是對於鎂離子電池計算，只有結合VDW泛函才能得到合理的結果。通過本項目更進一步加深了我們對鎂離子電池正極過程的理解，計算方法上也更加完備可靠，但是離解決擴散速率慢、充放電循環穩定性等這些基本問題仍然有一段距離。