锂离子/电子在固体电解质膜及相关界面输运过程的计算材料学研究

Critical to Li ion battery efficiency, power density, rate performance and lifetime is the formation of a passivating film on electrode surfaces known as the solid electrolyte interphase (SEI). Therefore, it is necessary to further investigate both basic and difficult problems involved with the SEI. Although numerous studies over the past four decades have been aimed at understanding the SEI formation mechanism, far less emphasis has been devoted to the transport processes of Li ion/electron through the SEI and relevant interfaces. On the other hand, combined with the molecular dynamics and thermodynamic knowledge, first-principles calculations based on the (or time-dependent) density functional theory have exhibited the strong excellence in the energy storage/conversion materials design, performance evaluation and prediction. In the present project, by these computational materials tools and validation experiments we will investigate the basic scientific problems during the transport processes of Li ion/electron through the SEI and relevant interfaces. They includes the self-discharging, Li ion desolvation at the SEI/electrolyte interface, transport mechanism of Li ion through the bulk SEI and relevant interfaces and charge transfer at the SEI/electrolyte interface, thus providing the better guidance for the experimental modification.

固体电解质膜(Solid Electrolyte Interphase, SEI)对锂离子电池的充放电效率、倍率性能、功率密度和寿命等方面具有重要的影响。为此，迫切需要对SEI所涉及的最基本也是难点问题开展更深入的研究，在过去的四十年中，已经有许多研究集中于SEI形成的机理，但对于锂离子/电子在SEI及相关界面的输运过程需要更为全面的认识。基于(或含时)密度泛函理论的第一性原理计算同分子动力学、热力学知识相结合已在能量存储/转换材料的设计、性能评价与预测等方面显示出其强大的威力。本项目拟运用上述计算材料学手段并结合验证性的实验来研究与锂离子/电子在SEI及相关界面中输运过程涉及的基础科学问题，主要包括自放电过程、SEI/电解质界面的锂离子脱溶剂化、锂离子在SEI体相及相关界面的输运机理、SEI/电解质界面的电子转移过程等，进而为实验上锂离子电池的改性研究提供更好的指导和思路。

固体电解质或固体电解质膜(Solid Electrolyte Interphase, SEI)对锂/钠离子电池的充放电效率、倍率性能、功率密度和寿命等方面具有重要的影响。迫切需要从物理学、材料学和化学等学科交叉的角度，有机地融合理论、计算和实验方法，围绕锂(钠)离子/电子在固体电解质材料、电极材料及相关界面的输运机理、协同调控和设计等方面开展系统的研究工作。发现间隙Li+在Li2CO3为主的固体电解质膜(SEI)中的协同输运机理，籍此建立SEI中Li+输运方程和电导率与电池电压的定量关系系统；系统研究了Li3PS4的弹性力学性质、缺陷化学、电化学窗口和离子输运机理，发现β-Li3PS4中间隙Li+倾向于沿[010]方向协同输运，进而提出等体积下更多纳米级颗粒增加了其[010]方向接触概率以形成了更多快速扩散通道的有效连接是导致β-Li3PS4纳米结构体系高离子电导率的原因; 开发了一种新型的具有优异循环稳定性和高可逆容量(140 mAh/g)的钒系磷酸盐钠离子电池负极材料NaV3(PO4)3，Na+呈现协同输运机理；报道了一种基于单阴离子氧化还原机理并呈现异常的晶胞“呼吸机理”的钠离子电池正极材料NaCrS2，拓宽了开发了高性能电极材料的视野；发现Fe2(MoO4)3嵌Li和Na的电化学过程分别呈现两相和固溶体行为,丰富了客体离子电化学嵌入电极过程的理论内涵；首次发现LiI:C3H5NO二元系固体电解质传导离子在成分比为1:2和1:1时分别是I-和Li+；提出虽然alpha-LiAlO2本体离子电导率极低，但在有外源锂空位和外源电荷的条件下，离子电导率会提高，很好地解释了包覆在电极材料表面的alpha-LiAlO2并不会降低电池循环性能的原因；对固体电解质材料Li3xLa(2/3)-xTiO3的相结构、缺陷热力学及扩散机理进行了初步研究；尝试开展基于高通量计算、数据挖掘与机器学习的固体电解质和电极材料设计及性能优化研究。发表Nature Communications 等SCI论文19篇，他引108次；国内外学术会议邀请报告26次；申请人获优秀青年科学基金资助；项目组成员获优秀口头报告奖/海报奖3次；培养出站博士后1名、硕士毕业生5名、在读博士生5名和硕士生9名。