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1、新型电池材料的分子设计、 微结构与动态过程 陶国华 北京大学深圳研究生院 新材料学院 2012年12月20日 北大新材料论坛 内容提要 1. 2. 3. 4. 材料基因组计划 发展现状 核心问题 展望 材料基本结构与性能的关系 能否预测、设计材料？ 能否描述材料体系动态过程？ 生物基因图谱材料DNA数据库 国内外发展现状趋势 目标 国际 2011年美国启动材料基因组计划 加速材料研发产业化周期 （1020年 23年） 2012财年投入1亿美元 通过理论计算预测新材料 国内 中国如何赶超？ 2012年北大新材料学院创建 材料DNA及动态过程创新群体 联合北大、中科院、美国加州大学伯 材料研发：周
2、期短、低成本、可预测 克利分校、美国布朗大学组建数学、 物理、化学、材料等跨学科研究团队 部分成果： 深圳优势： 硬件设备已达到世界一流水平 国家深圳超算中心星云运算能力排名 世界第二 构建新能源材料体系分子理论模型 开发具有知识产权的材料设计计算 程序包 G. Ceder, MSE, MIT, 2010 目标： 1、预测新材料的结构与性能 体相、表面/界面结构（电、磁、光、力学等性质） 能源采集（太阳能电池） 能源存储（锂离子电池） 2、研究新能源器件与系统中物质及能量输运动态过程 体相、表面/界面的物质与能量传递及存储 光伏体系（电池效率） 储能体系（容量、效率、充放电及安全性） 4）微观
3、宏观多尺度模拟 主要研究方向 复杂体系量子动力学非平衡态统计理论 方法优势： 1）精确的电子结构计算 2）复杂分子体系量子动力学理论 3）非平衡态过程和表面界面问题 新材料“DNA”与动态过程研究 陶国华 副教授 潘锋 教授 从分子水平发现材料“密码”（DNA） 设计开发新材料、新体系 锂离子电池 锂离子扩散过程 SEI膜的分子机理 电极反应动力学与 能量驰豫 太阳能电池 载流子驰豫过程 双电层分子 理论模型 缺陷与载流子复合 薄膜材料生长动力学 关键问题 表面界面的微观结构与非平衡态动力学 材料理论计算 正极材料： LiCoO2（最早商业化，用于小型电器如手机、笔记本等，安全性差） LiMn
4、2O4（安全性好，耐过充，廉价无毒，放电结构畸变，容量衰减大） LiFePO4（能量密度高、结构稳定、安全性好，廉价，循环性能好，导电性差） 材料性能的改进： o 钴酸锂 铝掺杂提高充放电平台 o 磷酸铁锂 宽带半导体：带隙(3.7 eV) 电导率极低(109S cm1) 高价金属掺杂提高电导率8个数量级 锂离子电池体系示意图 锂离子电池研究背景 锂离子电池组成：外壳、正极、负极、电解液和隔膜。 正极材料是决定电池性能价格的主要因素，成本占4050。 正极： MOx + Li+ + e -LiMOx (M 为 Co, Ni, Mn, V等) 或 FePO4 + Li+ + e -LiFePO4
5、 负极： LiC6 - Li+ + e 电池材料结构、界面与性能预测 1、体相结构 电极材料微观结构、尺寸、掺 杂与能带分布、导电性、稳定性及 电池容量的关系 2、元素掺杂 元素掺杂改善材料性能 (a) 40nmLiFePO4 TEM图片及 (b) 充放电曲线和循环性能 电池材料结构、界面与性能预测 2) 固体电解质 中间相层（SEI） 膜的形成机理 界面结构与电池效率 及安全性密切相关！ 4、包覆界面 镀膜包覆正极改善电池性能 3、固固、固液界面 1) 电池容量损耗的微观模型 太阳能电池效率 光电转化模型 1、电池材料与载流子输运 能带结构的影响 电子驰豫10ps 空穴驰豫1ns 2、电池体
6、系载流子复合与电池效率 界面结构、缺陷分布的影响 潘锋、梁军、周航 反应物 产物 非重要轨线 重要轨线 半经典含时重点取样方法中相空间初始构型几率 分布随取样时间的变化 量子理论方法 复杂分子体系量子动力学方法的开发将基于量子力学的半经典初 值表示方法并将结合统计力学中过渡态路径取样的方法以及对相 空间拓扑结构的分析，从深刻理解物理图象的角度优化量子动力 学计算。 过渡态路径取样方法是在轨线空间着重选取罕见但重要的轨线从而提 高统计效率的经典动力学方法。 基于重点取样的高斯近似方法（GAM）可有效描述复杂分子体系量子 效应。首次成功描述三维空间氩碘分子簇非平衡态驰豫过程的振 动量子相干效应。
7、参考文献： Tao and Miller, J. Chem. Phys. 130, 184108 (2009). Tao and Miller, J. Chem. Phys. 131, 224107 (2009). Tao and Miller, J. Chem. Phys. 135, 024104 (2011). Tao and Miller, J. Chem. Phys. Accepted. NC N 参考文献： A. E. Jailaubekov and S. E. Bradforth M. Stratt, Science, 311, 1907 (2006). M. Stratt, J.
8、 Chem. Phys. 125, 114501 M. Stratt, J. Phys. Chem. B 112, 369 A. C. Moskun, G. Tao and R. G. Tao and R. (2006). G. Tao and R. (2008). 80 fs Ar Ar Ar C Ar 线性响应理论失效 非平衡态动力学 Science的工作： 凝聚态体系非平衡态能量耗散 核电子耦合量子理论 光合作用系统菌绿素分子激发能量相干传递 双态模型体系示意 参考文献： Isizaki and Fleming, PNAS, 106, 17255 (2009). Tao and Miller, J. Phys. Chem. Lett. 1, 891 (2010). FMO色素分子蛋白复合体七态模型体系 谢谢大家！
