锂电池材料高通量筛选是如何进行的？
来源：宝鄂实业
2019-07-18 10:44
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在锂电池中，电极材料与电解质材料在性能上需要满足不同的要求。对于电极材料的研发，侧重于提高电 极材料的比容量和提高电池的工作电压。对于固体电解质材料的研究，则希望找到离子电导率高，电化学窗口宽，并能与正负极稳定匹配的材料。此外所有的电池材料都需要具有较低的成本、无毒无放射性，减少对环境 的污染，以期持续利用和发展。
在上述约束条件和筛选目标的指导下，我们首先考虑从无机材料晶体结构数据库(ICSD)中，根据化合物的组成元素进行初步筛选，如图2 所示，再进一步分别考虑它们作为电极或电解质材料的可能性。
（1）首先考虑材料的储锂极限容量( 优先考虑Li含量，其次考虑可转移电子数) 。将计算出的理论容量按照 140 mAh·g-1( LiCoO2材料的容量) 为参考，如果大于这个参考值，则首先考虑其作为电极材料应用。
（2）接下来计算其脱/嵌Li电位，若电位合适，则继续计算脱Li后体积变化以及结构稳定性。
（3）如果脱Li后结构不稳定，我们则转而考虑其作为固体电解质。
（4）当电位、结构稳定性两个都符合要求，则继续计算离子扩散势垒 参数，并判断离子输运是否符合设置的约束条件。
（5）如果符合离子迁移势垒要求，则计算电子结构与晶格动力学参数，对前面的结果进行进一步修正，得到更为精确的数据。
当开始计算的理论容量小于140 mAh·g-1 时，我们直接考虑其为固体电解质材料的应用。
（1）我们首先判断其中是否含有可变价元素，如果有，则不再做其它考虑。
（2）如果不含可变价元素，我们则计算其电子结构，判断其电子绝缘特性，如果是电子导体或带隙很窄的半导体，那么这种材料也不能用做固体电解质，可以不再考虑。
（3）如果符合电子绝缘的条件，则考虑其分解电压。
（4）满足条件后，则进一步考虑Li 离子在材料中的迁移势垒。
（5）如果满足迁移势垒条件，则进行晶格动力学参数修正。
在计算方法上，根据化合物中Li的含量以及可变价元素可能转移的电子数目来计算材料的理论储锂容量，采用热力学基本数据来计算电极反应的能量密度，并获得材料的平均嵌锂电位，对于缺少热力学数据的电极反应， 采用DFT方法计算嵌锂电位，同时得到脱/嵌锂前后的体积变化。
对于材料是否电子绝缘，以及对应的分解电位，也采用DFT计算来进行预测。
对于锂离子传导的动力学性质，则采用半经验与DFT 相结合的方法，先通过运算速度较快的键价和方法对材料的离子输运性质进行初步筛选，将具有连通的离子通道并且活化能较低的化合物找出来，再选择更为精确的DFT计算，采用NEB 方法计算准确的迁移势垒，对于包含无序占位或部分占位的化合物，则考虑采用第一性原理的分子动力学(FPMD) 来进行计算。
DFT 计算主要采用VASP 程序，基于键价和的离子通道计算则采用自行编写的BVpath进行。同时，根据图3的筛选流程编写了相应脚本，实现了对ICSD数据库中的晶体结构数据自动转化、对计算软件的自动调用、以及根据筛选条件将计算结果自动分类存储的过程。
