1-20、电化学储能材料计算筛选与性能优化

刘建军

中科院上海硅酸盐研究所，集成计算材料研究中心，上海市定西路1295号，200050

摘要：利用计算材料模型方法筛选高性能结构功能材料，通过设计新结构优化材料性能是材料创新与优化的重要组成，也是材料基因工程核心。电化学储能材料是利用电荷转移与电化学反应耦合实现储能过程，实现高性能材料设计与筛选需要在电子-原子分子层次上揭示复杂电子耦合化学变化复杂机制，建立材料组成-结构-性能关系图谱，因此计算电化学方法是设计电化学储能材料的重要补充，为实验设计提供理论指导。

发展高比容量电池材料（正极、负极、固态电解质）是推动电动汽车与大规律储能设备的前提条件，是实现我国动力电池电芯技术目标（2020年实现300Wh/kg的动力电池制造技术，同时400-500Wh/kg的原型电池技术需要获得验证）重要步骤。然而相当多电池材料体系存在比容量低、循环性能差、充放电过电位高等问题，本质上归结于材料电化学活性差，即材料电荷转移能力（材料热力学/动力学变化与电荷转移数量的耦合效应）低，因此发展先进计算电化学方法筛选高性能电化学储能材料非常重要。

本报告是基于第一性原理方法的热力学计算、分子动力学模拟、电子结构分析等技术手段结合，针对充电电压过电位高问答题，研究锂空气电池中正极析氧反应催化剂筛选，揭示催化剂表面结构的电荷转移能力（定义表面酸性）是电催化活性的重要特性，是建立电催化材料筛选因子基础，相似研究扩展到锂硫电池正极材料与析氢反应电催化材料设计方面，部分计算筛选析电化学储能材料已经得到实验验证；通过锂离子/钠离子电极（正极与负极）材料微观结构设计发展新电化学机制，提高电化学储能效率。基于几类不同电极材料计算设计与实验研究，揭示氢离子转移等价于电荷转移可以实现电化学储能，建立电荷转移耦合氢转移的电化学储能新机制，通过层状结构到扇形结构调整，实现层内结构电化学储钠，有效增加储钠比容量。当前计算筛选与实验验证结合不仅为获得高性电化学储能材料提供基础，也是新材料筛选与设计有效手段。

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.120