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atk:li-air电池界面 [2017/06/08 15:07] – [电子结构] fermi | atk:li-air电池界面 [2018/03/20 22:20] (当前版本) – liu.jun |
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锂离子电池是当前绝大部分电子产品和电动汽车使用最广泛的电池,但也有造价高、充电慢、能量密度低等缺点。Li-air电池由于它等高储能容量从而可能替代传统锂离子电池,逐渐受到关注。但要提高其竞争力,还有待大量的研究工作。尤其是在界面处会发生各种复杂的化学和电化学副反应。如果使用碳酸盐电解质的话,<chem>Li2O2</chem>就会在电极产生<chem>Li2CO3</chem>,所以<chem>Li2O2/Li2CO3</chem>界面实际上非常重要。本文中,将使用 VNL 创建 <chem>Li2O2</chem>/<chem>Li2CO3</chem> 界面,并使用 ATK 研究它的电子特性。结果可以与文献对比<sup>[1]</sup>。 | 锂离子电池是当前绝大部分电子产品和电动汽车使用最广泛的电池,但也有造价高、充电慢、能量密度低等缺点。Li-air电池由于它等高储能容量从而可能替代传统锂离子电池,逐渐受到关注。但要提高其竞争力,还有待大量的研究工作。尤其是在界面处会发生各种复杂的化学和电化学副反应。如果使用碳酸盐电解质的话,<chem>Li2O2</chem>就会在电极产生<chem>Li2CO3</chem>,所以<chem>Li2O2/Li2CO3</chem>界面实际上非常重要。本文中,将使用 VNL 创建 <chem>Li2O2</chem>/<chem>Li2CO3</chem> 界面,并使用 QuantumATK 研究它的电子特性。结果可以与文献对比<sup>[1]</sup>。 |
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本文将包含如下内容: | 本文将包含如下内容: |
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====晶体结构==== | ====晶体结构==== |
* 打开**Builder**并使用Add ‣ From Database,将<chem>Li2O2</chem>结构添加到**Stash**。 | * 打开 **Builder** 并使用 Add ‣ From Database,将 <chem>Li2O2</chem> 结构添加到 **Stash**。 |
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<WRAP center box 60%> | <WRAP center box 60%> |
=== 提示 === | === 提示 === |
可以使用Bulk Tools ‣ Crystal Symmetry Info插件看到对应的空间群,例如: | 可以使用 Bulk Tools ‣ Crystal Symmetry Info 插件看到对应的空间群,例如: |
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{{ :atk:symmetry_info.png?250 |}} | {{ :atk:symmetry_info.png?250 |}} |
</WRAP> | </WRAP> |
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* 可以运行本例中的示例脚本[[http://docs.quantumwise.com/_downloads/Li2O2_opt.py|Li2O2_opt.py]]来优化晶格参数。在本例中,将参照文献<sup>[1]</sup>使用GGA-PBE交换相关势。 | * 可以运行本例中的示例脚本{{ :atk:li2o2_opt.zip |Li2O2_opt.py}}来优化晶格参数。在本例中,将参照文献<sup>[1]</sup>使用 GGA-PBE 交换相关势。 |
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====切割表面==== | ====切割表面==== |
====零偏压下电子结构 ==== | ====零偏压下电子结构 ==== |
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在 [[http://docs.quantumwise.com/_downloads/Li2O2_opt.py|Li2O2_opt.py]] 脚本中,加入了几个分析,例如{{:atk:labfloor_transmissionspectrum.png?40}}, //TransmissionSpectrum//。计算完成之后,可以在 LabFloor 中找到。 | 在 {{ :atk:li2o2_opt.zip |Li2O2_opt.py}} 脚本中,加入了几个分析,例如{{:atk:labfloor_transmissionspectrum.png?40}}, //TransmissionSpectrum//。计算完成之后,可以在 LabFloor 中找到。 |
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{{ :atk:li2o2_bulk_transmission.png?550 }} | {{ :atk:li2o2_bulk_transmission.png?550 }} |
=== 注意 === | === 注意 === |
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可以参考[[http://quantumwise.com/publications/tutorials/item/505-transmission-spectrum-of-perfect-sheets-of-graphene-and-mos2|Transmission spectrum of perfect sheets of graphene and MoS2]]设置无缺陷的周期性体系的透射谱分析。 | 可以参考【[[atk:完美石墨烯和二硫化钼片层的透射谱|完美石墨烯和二硫化钼片层的透射谱]]】设置无缺陷的周期性体系的透射谱分析。 |
</WRAP> | </WRAP> |
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====晶体结构==== | ====晶体结构==== |
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VNL 中内置的数据库没有 <chem>Li2CO3</chem> 的晶体结构,可以从其它数据库(例如,[[http://www.crystallography.net/|Crystallography Open Database]])下载晶体结构(一般是CIF文件),VNL 支持[[atk:vnl的结构数据库功能|直接在线检索COD数据库]],并导入结构。导入XYZ、CIF、CAR、VASP文件,请参考[[atk:导入_导出结构文件|VNL相关教程]]。 | VNL 中内置的数据库没有 <chem>Li2CO3</chem> 的晶体结构,可以从其它数据库(例如,[[http://www.crystallography.net/|Crystallography Open Database]])下载晶体结构(一般是CIF文件)。导入XYZ、CIF、CAR、VASP文件,请参考[[atk:导入_导出结构文件|VNL相关教程]]。 |
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| <WRAP center box 100%> |
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| === 提示 === |
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| VNL 支持直接在线检索Crystallography Open Database、Materials Project 等数据库并导入结构,详见【[[atk:vnl的结构数据库功能]]】。 |
| </WRAP> |
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{{ :atk:li2co3_from_cif.png?550 }} | {{ :atk:li2co3_from_cif.png?550 }} |
让 <chem>Li2CO3</chem> 与 <chem>Li2O2</chem> 对接的时候,需要使用大一些大晶胞,这样晶格错配会小一些。这是因为<chem>CO3</chem>平面在//C2/c//空间群有一些偏离晶轴。本文中,将会使用修改过的空间群为//Cm//的<chem>Li2CO3</chem>结构,这样<chem>CO3</chem>平面就与(011)平面垂直。文献<sup>[1]</sup>中使用的也是这个结构。 | 让 <chem>Li2CO3</chem> 与 <chem>Li2O2</chem> 对接的时候,需要使用大一些大晶胞,这样晶格错配会小一些。这是因为<chem>CO3</chem>平面在//C2/c//空间群有一些偏离晶轴。本文中,将会使用修改过的空间群为//Cm//的<chem>Li2CO3</chem>结构,这样<chem>CO3</chem>平面就与(011)平面垂直。文献<sup>[1]</sup>中使用的也是这个结构。 |
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下载[[http://docs.quantumwise.com/_downloads/Li2CO3.py|Li2CO3.py]]脚本,并导入结构到 **Builder** 进行分析。 | 下载 {{ :atk:li2co3.zip |Li2CO3.py}} 脚本,并导入结构到 **Builder** 进行分析。 |
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{{ :atk:li2co3_yedilfana_structure.png?550 }} | {{ :atk:li2co3_yedilfana_structure.png?550 }} |
{{ :atk:device_from_bulk_Li-air.png?500 }} | {{ :atk:device_from_bulk_Li-air.png?500 }} |
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可以下载结构:[[http://docs.quantumwise.com/_downloads/device_configuration_initial.py|device_configuration_initial.py]]。注意在最后一个结构中,<chem>Li2CO3</chem>一侧微微地向<chem>Li2O2</chem>一侧移动,从而允许适当弛豫。 | 可以下载结构:{{ :atk:device_configuration_initial.zip |device_configuration_initial.py}}。注意在最后一个结构中,<chem>Li2CO3</chem>一侧微微地向<chem>Li2O2</chem>一侧移动,从而允许适当弛豫。 |
====优化界面结构==== | ====优化界面结构==== |
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教程[[atk:如何弛豫器件体系的几何结构|]]中介绍了如何优化器件结构。主要步骤如下: | 教程【[[atk:如何弛豫器件体系的几何结构|]]】中介绍了如何优化器件结构。主要步骤如下: |
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* 使用Tools ‣ Tags标记电极扩展区域。选中电极上的原子时,扩展区域自动被选中。 | * 使用Tools ‣ Tags标记电极扩展区域。选中电极上的原子时,扩展区域自动被选中。 |
{{ :atk:rigid_body1.png?500 }} | {{ :atk:rigid_body1.png?500 }} |
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* 设置结构优化计算,对 <chem>Li2O2</chem> 标记过的区域使用 //rigid// 进行限制,并对 <chem>Li2CO3</chem> 标记过的区域使用 //fixed// 进行限制。您也可以直接下载对应的脚本:[[http://docs.quantumwise.com/_downloads/interface_bulk_opt.py|interface_bulk_opt.py]] | * 设置结构优化计算,对 <chem>Li2O2</chem> 标记过的区域使用 //rigid// 进行限制,并对 <chem>Li2CO3</chem> 标记过的区域使用 //fixed// 进行限制。您也可以直接下载对应的脚本:{{ :atk:interface_bulk_opt.zip |interface_bulk_opt.py}}。 |
* 最后,体相的界面结构优化完毕之后,将优化好的结构导入到 **Builder** 中,并如上一节所示,重新创建器件结构(Device from Bulk)。 | * 最后,体相的界面结构优化完毕之后,将优化好的结构导入到 **Builder** 中,并如上一节所示,重新创建器件结构(Device from Bulk)。 |
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====电子结构==== | ====电子结构==== |
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将器件结构从 **Stash** 送入 **Scripter** 中,并设置新的器件计算,使用 GGA-RPBE 交换相关势以及 7x15x200 k点取样。其它参数可以全部使用默认值。整个脚本:[[http://docs.quantumwise.com/_downloads/device_interface.py|device_interface.py]] | 将器件结构从 **Stash** 送入 **Scripter** 中,并设置新的器件计算,使用 GGA-RPBE 交换相关势以及 7x15x200 k点取样。其它参数可以全部使用默认值。整个脚本:{{ :atk:device_interface.zip |device_interface.py}}。 |
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您可以在脚本中添加各种分析,来研究电子结构和输运性质的更多细节。例如下图是投影器件态密度分析。可以看到左边的 <chem>Li2CO3</chem>,带隙比 <chem>Li2O2</chem> 要大很多。因此可以推断电子电导很低,这和文献<sup>[1]</sup>中是一致的。 | 您可以在脚本中添加各种分析,来研究电子结构和输运性质的更多细节。例如下图是投影器件态密度分析。可以看到左边的 <chem>Li2CO3</chem>,带隙比 <chem>Li2O2</chem> 要大很多。因此可以推断电子电导很低,这和文献<sup>[1]</sup>中是一致的。 |
<WRAP center box 100%> | <WRAP center box 100%> |
=== 提示 === | === 提示 === |
您还可以参考[[atk:电池材料lifepo4中锂离子的扩散]]的方法,研究一下 Li 在 <chem>Li2O2</chem> 和 <chem>Li2CO3</chem> 晶体中的扩散过程。 | 您还可以参考【[[atk:电池材料lifepo4中锂离子的扩散]]】的方法,研究一下 Li 在 <chem>Li2O2</chem> 和 <chem>Li2CO3</chem> 晶体中的扩散过程。 |
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