硅酸盐正极材料充放电过程结构演化的动力学模拟研究项目摘要

锂离子电池的电化学性能与其充放电（锂离子脱/嵌）过程中电极材料的锂离子扩散性质和结构演化动力学行为密切相关。本项目拟采用从头算分子动力学与经典分子动力学方法对锂离子电池硅酸盐正极材料（Li2MSiO4等）的离子输运和充放电过程结构演化及动力学行为进行系统模拟研究，阐明硅酸盐相关材料中的锂离子扩散机制，揭示掺杂对材料物性及电化学性能的影响；重点研究温度效应对材料结构稳定性、离子迁移及缺陷等性质的影响，探索这些性质与电极材料相关电化学性能的关系；同时，在原子和电子尺度上探讨和认识一些实验现象（如材料在充放电过程中的非晶化、结构相变等现象）的物理本质；为预测、设计及合成制备具有更好电化学性能的正极材料提供可靠的理论依据。

本项目结合第一性原理电子结构计算与动力学模拟方法，系统研究了锂离子电池硅酸盐正极材料（Li2MSiO4等）的结构、电子结构及离子输运等特性，并对Li2FeSiO4等电极材料充放电过程中的结构演化进行了系统地分析。从原子和电子的角度，分析和理解了硅酸盐正极材料充放电过程中的电压变化、结构相变等实验现象的物理本质，详细分析了Li2FeSiO4中高循环容量的可能性；同时，揭示了原始Li2MSiO4 (M = Mn, Fe, Co)材料及循环相变后的材料的锂离子扩散机制；探讨了硅酸盐正极材料中的替位/掺杂效应，特别是其对锂离子扩散及电子电导性质的影响，为硅酸盐正极材料改性以提高其电化学活性提供了一些可行的建议和方法；此外，在完成原计划研究目标的基础上，我们还拓展研究了氟化电极材料和层状材料潜在储能体系，以充实对项目中的“化学成分、晶体结构、与材料性能三者间的相互关系”的理解，为后续的电极材料计算模拟研究提供更全面的理论依据；并开始探索电极材料预测方法的开发及应用，希望能在后续的研究中对电极材料预测的方法与应用两方面有所突破，以更好发挥计算模拟研究在电极材料研究领域的作用。至今，本项目相关的正式发表文章17篇（SCI收录），并较好地完成了本项目的其他预期研究目标和结果。 2100433B

对聚变用第一壁材料中子辐照引发的缺陷微观结构演化进行第一性原理结合分子动力学模拟计算研究。对辐照作用下可迁移空位团/间隙原子团的准平衡态演化过程机理以及W合金与缺陷相互作用等进行研究。主要包括： 辐照作用下材料离位损伤产生演化过程动力学计算。应用分子动力学结合第一性原理计算方法模拟辐照作用下体心立方W中产生的晶体点缺陷产生形成过程，离位阈能的计算、间隙原子结构稳定性的系统讨论。对与<111>间隙构型非常接近的<11h>构型存在性作出物理机理解释。高温退火过程中点缺陷的复合、扩散动力学研究。包括对Frenkel缺陷对的形成和迁移复合计算，复合区域及扩散系数的温度效应，为点缺陷复合机制完成前期基础。发现111型间隙原子与空位的复合区域为一个空间椭球，且该椭球半径随反应温度升高而增加。 计算钨拉伸弹性形变、塑性形变、强化形变和断裂等四个阶段。得到杨氏模量、屈服应变和屈服应力。塑性形变时生成的FCC和HCP结构的能量高于BCC结构，并使系统保持较低的应力水平。在塑性形变后期，长程有序周期结构孪生带的生长，使系统应力呈周期性振荡变化。在强化相持形变阶段，镶嵌在孪生带HCP结构中的其它无序结构在应力作用下生长，产生孔洞产生并吸收能量，使系统晶格断裂。 W基合金元素对空位缺陷迁移影响研究。考查合金元素对空位、间隙的作用机制。发现合金元素对空位的迁移均表现为较有利的作用，其中Zr合金元素对空位的影响较为明显，迁移阈能仅为0.859eV。通过有效体积的方式解释空位迁阈能，且发现Ta的浓度增加对空位表现更为有利的作用。W合金中间隙结构稳定性。通过哑铃对形成能发现，Re、Zr作为间隙原子时具有<110>哑铃对稳定结构，而Ta、Hf、Mo、Nb作为间隙结构时<111>哑铃对具有更加稳定结构。Re更加有助于自间隙结构迁移，Hf有助于Hf-W哑铃对迁移。 结论为探索辐照缺陷产生机理、提高W基合金抗辐照性能提供理论基础，为未来我国聚变材料设计及性能评价指标做出参考。 2100433B

本书以典型顺层岩质滑坡——鸡尾山滑坡为研究实例，贯穿滑坡从变形破坏到运动堆积整个演化过程，开展顺层岩质滑坡动力学研究。从顺层岩质滑坡滑带力学特性演变规律入手，建立顺层岩质滑坡变形破坏阶段演化动力学模型。分析顺层岩质滑坡变形破坏过程中应力场、位移场、应变能场时空演化规律，揭示顺层岩质滑坡的变形破坏机理。采用离散颗粒流PFC2D模拟鸡尾山滑坡运动堆积过程，揭示鸡尾山滑坡动力学机理。基于对我国大型高速滑坡运动学特征参量的统计，分析滑坡运动学特征的影响因素。在影响因素分析的基础上，提出一套滑坡滑距预测方法，为滑坡空间预测提供依据。本书部分插图配有彩图二维码。

• 第1章绪论

• 第2章鸡尾山滑坡演化动力学特征

• 第3章顺层岩质滑坡演化动力学模型

• 第4章顺层岩质滑坡多场演化规律

• 第5章顺层岩质滑坡启动弹冲加速机理

• 第6章典型顺层岩质滑坡运动堆积过程模拟

• 第7章滑坡运动影响因素与滑距预测

• 参考文献