锂离子在固相材料中的迁移动力学问题研究

Improving the comprehensive performance of the lithium ion batteries is one key problem in the development of the electric vehicle. The output power and charge time of the electric vehicle are depending on the charge/discharge speed of the battery, which is strongly related with the Li ion diffusion in the battery. All solid state Li ion batteries can improve the safety performance of the electric vehicle, and developing all solid state Li ion batteries needs an electrochemically stable solid state electrolyte with high Li ion conductivity. The above two aspects are associated with the basic physics problem of Li ion transportation in solid state materials, while the current academic understanding on this problem is not enough. This project investigates the key factors that influences Li ion migration in solid state materials. First principles calculation is performed to obtain basic data such as atomic position, and charge distribution and transfer, Li ion migration pathway and energy barrier, and so on; Explore and build physical models to describe the interactions between Li and the lattice environment during the Li migration processes; Establish the structure-activity relationship to describe Li migration in solid state materials. From this study, we can provide theoretical supports to improve the rate performance of Li ion batteries and develop new solid state electrolyte materials.

提高锂离子电池的综合性能是未来电动汽车发展的关键问题之一。电动汽车的输出功率及充电时间取决于电池的充、放电速度，这与电池中锂离子的扩散速度紧密相关。全固态锂离子电池可大大提高电动汽车的安全性，而开发全固态锂电池需要一种电化学稳定且锂离子电导率高的固态电解质材料。上述两点都涉及锂在固相材料中的输运这个基本物理问题，而目前学术界对该问题的认识还不够。本项目将研究影响锂离子在固相材料中迁移运动的关键问题：通过第一性原理计算来获得原子位置、电荷分布和转移、锂离子迁移路径和势垒等基本数据；分析锂在固相材料内迁移运动过程中锂和晶格环境的相互作用，并通过一定的模型来描述这些作用；建立描述锂在固体材料中迁移运动的构效关系。通过本项目研究，我们将为改善锂离子电池倍率性能、开发新型固态电解质材料提供理论支持。

锂离子电池充放电速度和效率是电动汽车的关键参数之一，而电动汽车的输出功率及充电时间与电池中锂离子的扩散紧密相关。全固态锂离子电池可大大提高电动汽车的安全性，而全固态锂电池的关键在于开发锂离子电导率高的固态电解质材料。这些问题的解决，都与锂在固相材料中的输运有关。本项目围绕锂离子在固相材料中迁移这一关键问题开展研究，研究了Li离子在不同构型材料中迁移动力学的基本特性，并依据这些属性设计了新型电极和固态电解质材料。研究中详细探讨了Li离子受固相材料的维度、空间曲率、局部结构扭曲等因素的影响，取得了系列创新性成果。比如，首次发现Jahn-Teller效应造成的局部结构扭曲影响了Li的输运，其影响主要受配体离子的库伦作用的吸引作用；但是，对Na离子的输运的影响更为突出，首次提出了Na离子的输运与Jahn-Teller型小极化子的迁移具有协同效应。这些研究成果为改善锂离子电池倍率性能、开发新型固态电解质材料提供理论支持。项目成果在国际核心刊物发表SCI收录论文38篇，获得中国物理学会2019年度“最有影响力论文奖”一等奖1次，同时获得江西省自然科学奖1项。