以第一原理計算探討鋰離子電池中複合層狀富鋰正極材料之充放電機制

Translated title of the thesis: Ab initio mechanistic study on charging/discharging behaviors of the lithium-rich layered composite cathode material in lithium-ion batteries
  • 莊 祐誠

Student thesis: Master's Thesis

Abstract

隨著科技日新月異的演進,人類對於能源的需求逐漸增加,但隨之而來如石油短缺與燃燒石油所造成的二氧化碳排放問題等等也逐漸成為全人類共同關注的議題。現今,除了發展乾淨的太陽能與風能等再生能源外,世界先進國家亦積極建立能源研究中心與推動各項再生能源獎助法案。另一方面,科學家同時體會到電池儲能技術必須與再生能源並行發展,強化移動式儲能電源,以擴大再生能源應用場域。在眾多能源材料中,鋰離子電池擁有能量密度高、電池性能佳、環境污染低等優點,可視為目前最能符合綠色科技的儲能元件之一。 複合層狀正極材料由富鋰氧化物xLi2MnO3‧(1-x)LiM’O2 (M’=Ni Co Mn…etc)依不同組成比例而成之複合層狀材料,具有高電容量之優點。然而,此材料卻也擁有(1)首次不可逆電容量(Initial irreversible capacity)高、(2)電容量衰減(Capacity fading)快以及(3)倍率性能(Rate capability)低等問題,主要由於此材料晶體結構於充放電後形變而無法維持之缺點,嚴重掩?材料高電容量之優點以及影響其儲能技術之發展。 為了解決此問題,在過去的研究中,各領域之學者多利用實驗試誤式(Trial and error)之方式針對複合層狀富鋰氧化物進行材料之探索與改良,雖然已有相當多的文獻成果,但常由於傳統實驗方法需耗費大量時間、金錢與人力,甚至因各研究者之材料合成方法、組成比例、量測儀器不一,導致報導資料散亂且其解釋相互矛盾,難以有效歸納出一致的方法來提升層狀材料的結構穩定性、電容量、循環性能以及導電率。 本研究透過密度泛函理論(Density functional theory)與第一原理計算(Ab initio calculation)材料計算,對材料結構及其充放電機制有更深的了解。透過模擬的方式,首先建構出複合層狀富鋰氧化物之原子級模型(Atomistic model)以了解其結構組合及比例,並進一步藉由X-射線繞射計算(X-ray diffraction calculation)後與實驗結果比較確認其晶體結構。再者,透過鋰離子嵌出嵌入晶體之方式以模擬充放電曲線(Charging and discharging curve),並利用Bader電荷分析(Bader charge analysis)來計算出各元素於過程中之價數變化,以及觀察結構變異之相轉變情形(Phase transformation)。最後,利用晶體結構中添加氧缺陷之方式,並藉由缺陷生成能(Defect formation energy)計算以了解充放電過程中鋰氧共同嵌出之競爭機制,後分析歸納出複合層狀富鋰氧化物其電容量與電壓衰退之主因,用以提供快速且精確之計算數據至實驗端,幫助開發出高容量、高電壓與高穩定性複合層狀正極材料。
Date of Award2016 Sep 5
Original languageChinese
SupervisorShih-kang Lin (Supervisor)

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