[發明專利]一種層狀正極材料結構穩定性的分析方法

在審

• 申請號: 202010178613.X
• 申請日: 2020-03-14
• 公開（公告）號: CN111243686A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 趙煜娟;肖湘;韓穎倩;候辰
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G16C10/00;G16C20/20
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

一種層狀正極材料結構穩定性的分析方法屬于材料學(物理化學)領域。本發明包括構建用于分析層狀正極材料結構穩定性的第一性原理模型，通過采用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理對層狀材料的結構進行優化，根據優化后材料的過渡金屬?氧八面體與鋰?氧八面體的鍵參數與角度參數，計算獲得八面體的畸變程度，從而判斷材料的結構穩定性。從原子尺度出發，為富鋰正極材料的開發和改性提供理論基礎。

技術領域

本發明屬于材料學(物理化學)領域，涉及一種層狀正極材料結構穩定性的分析方法。

背景技術

鋰離子電池因具有高能量密度和高能量轉換效率等優點，被廣泛的應用于各種電動工具和便攜式電子設備以及儲能領域，但實際鋰離子電池的能量密度值通常小于300Wh/Kg，無法滿足日益增長的市場需求，而正極材料是制約鋰離子電池整體性能進一步提高的關鍵因素。

近年來，富鋰層狀過渡金屬氧化物材料xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂(M＝Co,Fe,Ni等)，因具有更高的放電比容量和較低的成本而受到廣泛關注，被視為下一代鋰離子電池正極材料的理想之選。富鋰錳基層狀結構氧化物正極材料可以看作由層狀結構LiMO₂與層狀結構Li₂MnO₃之間的固溶體，但實際上材料顆粒中同時存在富錳納米疇和富鐵納米疇，沒有明確的邊界。兩種組分在結構上的相似性使它們可以達到原子級混合，但同時也帶來了局域結構表征非常困難的問題,并且在充放電循環過程中，隨著Li₂O的生成和O₂的溢出(導致過渡金屬離子遷移，陰陽離子重排)以及Li⁺的過渡脫出，局部結構由層狀巖鹽結構轉變為立方尖晶石相，這些結構的轉變不利于Li⁺的脫嵌，從而造成了容量衰減。

綜上所述，導致在充放電過程中發生的不可逆相變以及循環容量衰減是因為富鋰正極材料自身結構的穩定性差，如何高效評價正極材料的穩定性成為突出的技術難題。

針對這些問題，一般通過經驗的方法來解決，通常需要經歷查閱文獻、合成材料、改性實驗、充放電測試等一系列過程，并且需要反復進行這一過程逐漸解決問題，高成本且耗費時間。另外CN104730065A公開了一種正極材料穩定性的評價方法，該方法將正極材料置于實驗溶液中，經過由低到高變化的梯度溫度存儲后，通過離心、過濾獲得液體樣品，最后通過電感耦合等離子發射光譜測定該液體樣品中金屬離子濃度來評價正極材料的穩定性；

目前評價材料穩定性的方法都會涉及實驗和測試等環節，其過程中的電池制備，數據測試，數據分析等均需要耗費大量的時間、人力和實驗成本，并且會因為實驗場地等條件限制測試數量，隨著測試材料數量種類的增加測試方法過程會變得更加復雜，使分析效率大大降低。

發明內容

本發明的目的在于針對以上如何準確判斷層狀正極材料結構穩定性的問題，提出了一種簡單、高效、經濟的分析方法。

本發明所提出的方法適用于各種層狀正極材料，包括純相材料、摻雜材料和復合材料。

本發明的目的可以由以下技術方案實現：

一種層狀正極材料結構穩定性的分析方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)構建模型：針對層狀正極材料的原子構成、空間群和晶胞參數，基于第一性原理密度泛函理論，利用Vienna ab initio simulation package(VASP)程序包構建晶胞模型；

(2)優化模型：采用模擬優化軟件VASP對所構的層狀正極材料晶胞模型進行結構優化，獲得能量最低的最優結構模型；

(3)數據采集：采集優化后模型中過渡金屬原子與氧原子組成的八面體和鋰原子與氧原子組成八面體的鍵參數與角度參數；