电池设计原理-北大

1、新型电池材料的分子设计、微结构与动态过程陶国华北京大学深圳研究生院新材料学院2012年12月20日北大新材料论坛内容提要.材料基因组计划发展现状核心问题展望材料基本结构与性能的关系能否预测、设计材料？能否描述材料体系动态过程？生物基因图谱材料DNA数据库国内外发展现状趋势目标国际2011年美国启动材料基因组计划加速材料研发产业化周期（1020年 23年）2012财年投入1亿美元通过理论计算预测新材料国内中国如何赶超？2012年北大新材料学院创建材料DNA及动态过程创新群体联合北大、中科院、美国加州大学伯材料研发：周期短、低成本、可预测 克利分校、美国布朗大学组建数学、物理、化学、

2、材料等跨学科研究团队部分成果：深圳优势：硬件设备已达到世界一流水平国家深圳超算中心星云运算能力排名世界第二构建新能源材料体系分子理论模型开发具有知识产权的材料设计计算程序包G. Ceder, MSE, MIT, 2010目标：1、预测新材料的结构与性能体相、表面/界面结构（电、磁、光、力学等性质）能源采集（太阳能电池）能源存储（锂离子电池）2、研究新能源器件与系统中物质及能量输运动态过程体相、表面/界面的物质与能量传递及存储光伏体系（电池效率）储能体系（容量、效率、充放电及安全性）4）微观宏观多尺度模拟主要研究方向复杂体系量子动力学非平衡态统计理论方法优势： 1）精确的电子结构计算2）复杂分子

3、体系量子动力学理论3）非平衡态过程和表面界面问题新材料“DNA”与动态过程研究陶国华 副教授潘锋 教授从分子水平发现材料“密码”（DNA）设计开发新材料、新体系http:/锂离子电池锂离子扩散过程SEI膜的分子机理电极反应动力学与能量驰豫太阳能电池载流子驰豫过程双电层分子理论模型缺陷与载流子复合薄膜材料生长动力学关键问题表面界面的微观结构与非平衡态动力学材料理论计算正极材料：LiCoO2（最早商业化，用于小型电器如手机、笔记本等，安全性差）LiMn2O4（安全性好，耐过充，廉价无毒，放电结构畸变，容量衰减大）LiFePO4（能量密度高、结构稳定、安全性好，廉价，循环性能好，导电性差）材料性能的

4、改进：o 钴酸锂铝掺杂提高充放电平台o 磷酸铁锂宽带半导体：带隙(3.7 eV) 电导率极低(109S cm1)高价金属掺杂提高电导率8个数量级锂离子电池体系示意图锂离子电池研究背景锂离子电池组成：外壳、正极、负极、电解液和隔膜。正极材料是决定电池性能价格的主要因素，成本占4050。正极： MOx + Li+ + e -LiMOx (M 为 Co, Ni, Mn, V等)或 FePO4 + Li+ + e -LiFePO4负极： LiC6 - Li+ + e电池材料结构、界面与性能预测1、体相结构电极材料微观结构、尺寸、掺杂与能带分布、导电性、稳定性及电池容量的关系2、元素掺杂元素掺杂改善材料

5、性能(a) 40nmLiFePO4 TEM图片及(b) 充放电曲线和循环性能电池材料结构、界面与性能预测2) 固体电解质中间相层（SEI）膜的形成机理界面结构与电池效率及安全性密切相关！4、包覆界面镀膜包覆正极改善电池性能3、固固、固液界面1) 电池容量损耗的微观模型太阳能电池效率光电转化模型1、电池材料与载流子输运能带结构的影响电子驰豫10ps空穴驰豫1ns2、电池体系载流子复合与电池效率界面结构、缺陷分布的影响潘锋、梁军、周航反应物产物非重要轨线重要轨线半经典含时重点取样方法中相空间初始构型几率分布随取样时间的变化量子理论方法复杂分子体系量子动力学方法的开发将基于量子力学的半经典初值表示方

6、法并将结合统计力学中过渡态路径取样的方法以及对相空间拓扑结构的分析，从深刻理解物理图象的角度优化量子动力学计算。过渡态路径取样方法是在轨线空间着重选取罕见但重要的轨线从而提高统计效率的经典动力学方法。基于重点取样的高斯近似方法（GAM）可有效描述复杂分子体系量子效应。首次成功描述三维空间氩碘分子簇非平衡态驰豫过程的振动量子相干效应。参考文献：Tao and Miller, J. Chem. Phys. 130, 184108 (2009).Tao and Miller, J. Chem. Phys. 131, 224107 (2009).Tao and Miller, J. Chem. Phy

7、s. 135, 024104 (2011).Tao and Miller, J. Chem. Phys. Accepted.NCN参考文献：A. E. Jailaubekov and S. E. BradforthM. Stratt, Science, 311, 1907 (2006).M. Stratt, J. Chem. Phys. 125, 114501M. Stratt, J. Phys. Chem. B 112, 369A. C. Moskun,G. Tao and R.G. Tao and R.(2006).G. Tao and R.(2008).80 fsArArArCAr线性响应理论失效非平衡态动力学Science的工作：凝聚态体系非平衡态能量耗散核电子耦合量子理论光合作用系统菌绿素分子激发能量相干传递双态模型体系示意参考文献：Isiza