清潔能源的有效開發(fā)利用對人類社會的未來發(fā)展意義深遠。以鋰離子電池為代表的儲能電池作為利用清潔能源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在手機、數(shù)碼相機、筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品以及在電動汽車等大型裝備中的應(yīng)用價值有目共睹。
磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料因其具有成本低、無毒無污染、高能量密度、良好的充放電循環(huán)性能以及優(yōu)越的熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢，成為鋰離子電池最具前景的正極材料之一，目前已投入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，比如深圳比亞迪電動汽車。磷酸鐵鋰中載流子的輸運性質(zhì)對于電池效率及充放電性能至關(guān)重要，目前雖然采用碳包覆、元素摻雜、調(diào)控顆粒尺寸等方法提高其表觀載流子遷移率,然而較低的本征電導(dǎo)率及離子遷移率限制了其性能潛力的發(fā)揮。通過理論方法研究磷酸鐵鋰中關(guān)鍵的鋰離子擴散過程，從分子水平理解其微觀機理不僅有助于發(fā)現(xiàn)調(diào)控載流子輸運性質(zhì)及電池性能的有效途徑，也將啟發(fā)人們設(shè)計開發(fā)新型高效正極材料。
陶國華課題組前期采用分子動力學(xué)模擬方法研究了含有Li-Fe反位缺陷的磷酸鐵鋰中的鋰離子擴散機制。通過考察不同溫度（600-1000K），不同的缺陷濃度范圍（~4-25%）以及不同缺陷分布等情況，從分子水平闡釋鋰離子擴散動力學(xué)與微觀環(huán)境的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)了反位缺陷復(fù)合及通道間擴散的有效途徑，為設(shè)計開發(fā)高性能正極材料提供理論依據(jù)。相關(guān)工作發(fā)表在 Journal of Materials Chemistry A 期刊。第一作者為2013級碩士生胡博洋，通訊作者為陶國華副教授。
陶國華副教授近期應(yīng)用本人開發(fā)的非絕熱動力學(xué)理論新方法-多態(tài)軌線方法研究了磷酸鐵鋰體系中電子耦合鋰離子擴散過程。磷酸鐵鋰體系中電導(dǎo)率與離子遷移率具有強相關(guān)性，此前研究表明電荷轉(zhuǎn)移通過一種小極化子機制實現(xiàn)，靜態(tài)計算結(jié)果認為電子與鋰離子的強耦合相互作用會導(dǎo)致束縛效應(yīng)從而降低表觀輸運性能，而動力學(xué)模擬電子耦合鋰離子擴散難度極大。多態(tài)軌線方法精確有效，穩(wěn)定性好，非常適合復(fù)雜體系的非絕熱動力學(xué)研究。陶國華副教授采用該方法首次實現(xiàn)了磷酸鐵鋰體系在原子尺度上實時的非絕熱動力學(xué)模擬[Tao, J. Phys. Chem. C, 2016, 在線發(fā)表]。多態(tài)軌線非絕熱動力學(xué)模擬為電子耦合鋰離子擴散過程提供了清晰直觀分子圖像從而為理解核電耦合量子動力學(xué)的微觀機制提供有效途徑。研究結(jié)果表明，強核電耦合相互作用在動力學(xué)上甚至有助于鋰離子擴散，從而從理論上解釋/預(yù)測了通過提高材料中電子或者離子的遷移率調(diào)控材料整體電化學(xué)性能的可能性。
該工作得到北京大學(xué)深圳研究生院，深圳市科技創(chuàng)新委，廣東省科技廳的資助。
(1) Guohua Tao，Nonequilibrium Electron-Coupled Lithium Ion Diffusion in LiFePO4: Nonadiabatic Dynamics with Multistate Trajectory Approach , The Journal of Physical Chemistry C 2016，ASAP, http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpcc.5b12676
(2) Boyang Hu, and Guohua Tao*, “Molecular Dynamics Simulations on Lithium Diffusion in LiFePO4: the effect of anti-site defects”, Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 20399-20407.
(3) Guohua Tao, “A multi-state trajectory method for non-adiabatic dynamics simulations”, J. Chem. Phys. 2016, 144 (9), 094108. http://dx.doi.org/10.1063/1.4943006
