功能材料结构与性能若干问题的计算机模拟研究

论文摘要

与计算机技术相结合的计算材料和材料设计是现代材料科学研究的重要方面，本论文应用计算机模拟方法对功能材料的结构和性能等若干问题进行了研究，具体包括以下三个内容：运用第一性原理的方法研究了锂离子电池正极材料的电子结构、导电性能以及它们之间的关系；运用分子动力学方法研究了嵌入轻质小原子或者分子层状石墨体系的热学行为；运用第一性原理的方法研究了单分子科学领域内人工控制化学键的形成及其特性。一．能源材料是材料科学的一个重要分支，也是目前材料科学领域的研究热点之一。本文运用局域密度近似框架内的基于密度泛函理论的第一性原理方法，研究了LiCoO2及其被非钴金属元素掺杂后LiCo0.92M0.08O2（M=Ni，Zn，Mg，Al，Cr，Mn，Fe，Cu）的电子结构，然后加大了非钴元素掺杂的量，运用相同的方法研究了LiCo0.67M0.33O2（M=Mg，Mn，Ni）的电子结构。计算结果表明，与LiCoO2的相比，LiCo0.92M0.08O2（M=Ni，Zn，Mg，Cr，Mn，Fe）的态密度和能带结构分布发生了有利于电导率提升的变化；LiCo0.92M0.08O2（M=Al，Cu）的电导率没有得到提升；如果加大非钴元素的掺杂量，LiCo0.67Mg0.33O2相对于LiCoO2的电导率没有提升，LiCo0.67Mn0.33O2或者LiCo0.67Ni0.33O2相对于LiCoO2的电导率依旧得到了提升。主要的计算结果与实验事实相符合，因而从理论上证明了掺杂适当数量的非钴原子Ni，Zn，Mg，Cr，Mn或者Fe可以改善LiCoO2的导电性能；而LiCo0.92M0.08O2（M=Al，Cu）的电导率并没有提高；如果引入非钴元素Mn或者Ni的量至0.33，则LiCoO2的电导率也可以得到改善。我们把改进的、结合了氧离子的电荷平衡和补偿机制首次用于以上锂离子电池电极材料计算结果的讨论和解释，对探索和开发新的具有优异性能的正极材料具有启发和理论指导意义。二．石墨材料也是一种优质的电极材料，对石墨材料的理论和实验研究一直是电极材料研究领域的热点。本文的第二部分主要内容是运用分子动力学的方法研究了嵌入轻质原子Li和H的层状石墨体系的热学行为，发现：（1）．Li和H在扩散过程中表现出不一样的特性，Li的行为更加复杂；（2）．分别计算了LI-GIC和H-GIC的导带带隙，发现Li-GIC的导带带隙没有发生明显变化，相反，H-GIC的导带带隙变宽了0.1eV，这意味着H-GIC的电导率下降。这些计算结果表明，作为锂离子二次电池电极材料，层状石墨有更大的优势和潜力，是比较好的储锂材料。这些与实验事实也相符合，同时解释了石墨等炭材料储锂有较大的不可逆Li容量的原因。另外，我们还运用分子动力学方法研究了其它轻质小分子如CO2、H2O、NH3等在层状石墨中的热运动，发现这些轻质小分子在层状石墨中的热学行为与H原子在层状石墨中的热学行为非常相似；当层状石墨中的小分子的数目有明显增加时，石墨的晶体结构将会遭到不可逆转的破坏，这一计算结果是与实际情况相符合的。上述计算结果对寻求具有更加优异性能的石墨类电极材料具有指导和启发意义。三．人工控制原子或分子组装成具有复杂功能的材料和器件是人们孜孜以求的目标，其基础科学—单原子分子科学备受关注。受到使用STM人工控制形成化学键的实验事实，也就是借助STM控制CO分子与吸附在Ag（110）表面的过渡金属元素原子Fe和Cu形成化学键的实验事实的启发，在团簇结构模型下，运用第一性原理的方法验证了该实验结果并探求了受控形成化学键的机制和特征，理论计算结果与实验事实完全一致。我们把这一模型推广到其它元素原子，即Sc，V，Cr，Mn，Co，Ni，Zn，Zr，Ag，Au以及一些稀土金属元素原子等。发现所形成的化学键实际上可以被分成下面的三大类。第一类：对于Fe，Co，Ni，Cr等这些d轨道没有全占的原子，形成M（CO）／Ag（110）体系的时候，对应的是S1结构；形成M（CO）2／Ag（110）体系的时候，对应的是SS2结构。对M（CO）／Ag（110）体系而言，没有发现稳定的S2结构；第二类：对于Cu，Zn，Ag，Au等这些d轨道全被占的原子，吸附在Ag（110）面上的时候，无论是M（CO）／Ag（110）体系还是M（CO）2／Ag（110）体系，结构都与Cu原子的情形一样，都是S3类型；第三类：对应于那些具有f轨道的稀土金属原子，它们形成化学键依赖与f轨道上的电子，而由于它们的f轨道在空间的伸展方向极其复杂，所以这类元素原子与CO分子成键后表现出来的情况也就复杂一些，其中的机理还需要进一步的探求。但是通过以上计算，有助于了解和揭示Fe，Cu，Sc，V，Cr，Mn，Co，Ni，Zn，Zr，Ag，Au以及一些稀土金属元素原子在Ag（110）面上与CO分子成键的过程和机理，对人工控制、操纵单原子或者单分子具有理论指导意义。特别需要指出的是，对于在Ag（110）表面稀土金属元素原子和CO分子成键的情况比较复杂，需要在选择适当的方法的基础上对这些体系做更加深入的研究。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子二次电池的基本特点
• 1.3 锂离子电池的结构
• 1.3.1 正极
• 1.3.2 负极
• 1.3.3 电解液
• 1.3.4 隔膜
• 1.3.5 硬件
• 1.3.6 合成方法
• 1.4 锂离子二次电池正极材料的研究进展
• 1.5 锂离子电池的应用
• 1.6 材料设计与材料科学中的计算机模拟研究
• 1.6.1 材料设计
• 1.6.2 材料设计进展
• 1.6.3 材料科学中的计算机模拟研究
• 1.7 对二次锂离子电池的计算机建模和计算机模拟研究
• 1.7.1 研究概况
• 1.7.2 使用计算机模拟的方法研究电池的意义和优点
• 1.7.3 运用第一性原理研究锂离子二次电池的展望和趋势
• 1.7.4 从第一性原理到宏观模拟
• 1.7.5 千变万化的模拟工具被采用
• 1.7.6 使用宏观模型来设计电池
• 1.8 本论文的主要研究工作及其意义
• 0.92M_0.08O₂（M=Ni,Zn）的电子结构'>第二章 应用第一性原理计算锂离子电池正极材料LiCo_0.92M_0.08O₂（M=Ni,Zn）的电子结构
• 2.1 密度泛函理论应用于材料计算领域
• 2.1.1 单电子近似
• 2.1.2 电子结构的计算方法
• 2.1.3 布里渊区的特殊K点计算
• 2.1.4 统计超原胞方法
• 2.2 研究内容
• 2.2.1 计算方法
• 2.2.2 计算结果
• 2.2.3 讨论
• 2.3 本章小结
• 1-xM_xO₂（x=0.08,0.33）的电子结构'>第三章 应用第一性原理计算掺杂其他非钴金属原子的锂离子电池正极材料LiCo_1-xM_xO₂（x=0.08,0.33）的电子结构
• 3.1 引言
• 3.2 研究内容
• 3.2.1 计算方法
• 3.2.2 计算结果
• 3.2.3 讨论
• 0.67M_0.33O₂（M=Mg,Mn,Ni）的电子结构模拟研究'>3.3 对LiCo_0.67M_0.33O₂（M=Mg,Mn,Ni）的电子结构模拟研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 应用分子动力学方法研究Li/H元素原子在石墨体积内的热学行为
• 4.1 引言
• 4.2 研究内容
• 4.2.1 分子动力学基本原理
• 4.2.2 势能函数的确定
• 4.2.3 计算模型
• 4.2.4 计算结果
• 4.2.5 讨论
• 4.3 其他小分子嵌入层状石墨的热学行为研究
• 4.3.1 计算模型
• 4.3.2 计算结果
• 4.3.3 多个小分子同时嵌入层状石墨
• 4.4 本章小结
• 第五章 应用第一性原理研究M-CO（M=金属原子）在Ag（110）表面成键特性
• 5.1 概述
• 5.1.1 单分子科学简介
• 5.1.2 单分子科学的基本分析技术
• 5.1.3 近期单分子科学进展
• 5.1.4 本章研究内容
• 5.2 Ag（110）面上Fe和Cu与CO成键
• 5.2.1 计算原理和方法
• 5.2.2 模型的构建
• 5.2.3 计算结果与讨论
• 5.3 吸附在Ag（110）面上其他金属原子与CO成键
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 附录一:计算结果的精确度和可信度
• 附录二:Material studio软件性能和种类介绍
• 参考文献
• 发表文章
• 致谢