实施效果

来源：计算模拟平台

利用Materials Studio分子模拟平台，调用各种模拟方法，如量子力学方法、分子力学和动力学方法、蒙特卡洛方法等，对电极材料的储锂容量、嵌锂电位、电子导电性能、锂离子扩散、脱嵌锂过程中的体积和结构变化、电化学窗口宽度、结构稳定性等指标进行计算，从而帮助研发人员可按预定目标去设计和发现更优的新材料体系，指导实现合成。形成不断深入的研究和开发，终开发出能量密度更高、安全性能更好、充放电速度快的高性能锂电池材料。

方案详情

研发目标：提高电池的充放电效率

1、MS模拟正负极材料中锂离子的扩散能垒

扩散能垒越低的材料，扩散速率越大，则相应的倍率性能则越高，充电越快

图中(a)-(d)为LiFePO4 及掺杂Mn、 Co、La的扩散能垒研究。

模拟结果表明，掺杂Co和La能降低锂离子的扩散能垒，且掺杂La的效果优于Co。

模拟为实验正极材料合成中选择合适的掺杂元素指明方向

2、MS模拟锂离子的动态扩散过程及扩散系数

扩散系数越高的材料，扩散速率越大，则相应的倍率性能则越高，充电越快

3、MS模拟电子电导

材料的离子电导率和电子电导率共同影响着材料的倍率性能，能带结构的带隙越小，电子由价带被激发到导带越容易，本征载流子浓度就越高，电导率也就越高。

研发目标：提高电池的容量，无“里程焦虑”

1、MS模拟嵌锂电压

提升锂离子电池的工作电压是增大电池能量密度的重要途径之一

2、MS模拟能量密度（质量能量密度和体积能量密度）

3、MS模拟电解质“电化学窗口”

电化学窗口是衡量电解质稳定性的一个重要指标，较宽的电化学窗口可使电解质在较宽的电压范围内保持电化学性能稳定。

MS模拟LiFePO4和LiMnPO4的晶胞参数和嵌锂电压及与实验结果的对比

电化学窗口为LUMO和HOMO轨道能级差。MS支持直接计算得到LUMO和HOMO能级

研发目标：电池无安全隐患，使用寿命长

1、MS模拟正负极材料嵌锂脱锂过程的结构变化

脱锂嵌锂过程结构变化更小的体系，有利于能量存储和释放过程中的化学稳定性，电池寿命更长

2、MS模拟生成焓、吉布斯生成能

生成焓和吉布斯生成能数值越低则热力学稳定性越好，寿命更长

3、MS模拟力学性能参数：体模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比和硬度

力学性能越好，电池寿命更长。