[发明专利]一种层状正极材料结构稳定性的分析方法

说明书

一种层状正极材料结构稳定性的分析方法属于材料学(物理化学)领域。本发明包括构建用于分析层状正极材料结构稳定性的第一性原理模型，通过采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理对层状材料的结构进行优化，根据优化后材料的过渡金属‑氧八面体与锂‑氧八面体的键参数与角度参数，计算获得八面体的畸变程度，从而判断材料的结构稳定性。从原子尺度出发，为富锂正极材料的开发和改性提供理论基础。

技术领域

本发明属于材料学(物理化学)领域，涉及一种层状正极材料结构稳定性的分析方法。

背景技术

锂离子电池因具有高能量密度和高能量转换效率等优点，被广泛的应用于各种电动工具和便携式电子设备以及储能领域，但实际锂离子电池的能量密度值通常小于300Wh/Kg，无法满足日益增长的市场需求，而正极材料是制约锂离子电池整体性能进一步提高的关键因素。

近年来，富锂层状过渡金属氧化物材料xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂(M＝Co,Fe,Ni等)，因具有更高的放电比容量和较低的成本而受到广泛关注，被视为下一代锂离子电池正极材料的理想之选。富锂锰基层状结构氧化物正极材料可以看作由层状结构LiMO₂与层状结构Li₂MnO₃之间的固溶体，但实际上材料颗粒中同时存在富锰纳米畴和富铁纳米畴，没有明确的边界。两种组分在结构上的相似性使它们可以达到原子级混合，但同时也带来了局域结构表征非常困难的问题,并且在充放电循环过程中，随着Li₂O的生成和O₂的溢出(导致过渡金属离子迁移，阴阳离子重排)以及Li⁺的过渡脱出，局部结构由层状岩盐结构转变为立方尖晶石相，这些结构的转变不利于Li⁺的脱嵌，从而造成了容量衰减。

综上所述，导致在充放电过程中发生的不可逆相变以及循环容量衰减是因为富锂正极材料自身结构的稳定性差，如何高效评价正极材料的稳定性成为突出的技术难题。

针对这些问题，一般通过经验的方法来解决，通常需要经历查阅文献、合成材料、改性实验、充放电测试等一系列过程，并且需要反复进行这一过程逐渐解决问题，高成本且耗费时间。另外CN104730065A公开了一种正极材料稳定性的评价方法，该方法将正极材料置于实验溶液中，经过由低到高变化的梯度温度存储后，通过离心、过滤获得液体样品，最后通过电感耦合等离子发射光谱测定该液体样品中金属离子浓度来评价正极材料的稳定性；

目前评价材料稳定性的方法都会涉及实验和测试等环节，其过程中的电池制备，数据测试，数据分析等均需要耗费大量的时间、人力和实验成本，并且会因为实验场地等条件限制测试数量，随着测试材料数量种类的增加测试方法过程会变得更加复杂，使分析效率大大降低。

发明内容

本发明的目的在于针对以上如何准确判断层状正极材料结构稳定性的问题，提出了一种简单、高效、经济的分析方法。

本发明所提出的方法适用于各种层状正极材料，包括纯相材料、掺杂材料和复合材料。

本发明的目的可以由以下技术方案实现：

一种层状正极材料结构稳定性的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)构建模型：针对层状正极材料的原子构成、空间群和晶胞参数，基于第一性原理密度泛函理论，利用Vienna ab initio simulation package(VASP)程序包构建晶胞模型；

(2)优化模型：采用模拟优化软件VASP对所构的层状正极材料晶胞模型进行结构优化，获得能量最低的最优结构模型；

(3)数据采集：采集优化后模型中过渡金属原子与氧原子组成的八面体和锂原子与氧原子组成八面体的键参数与角度参数；