【摘要】 第一性原理模拟是在原子水平上研究和模拟系统的最重要的理论方法之一。

第一性原理模拟是在原子水平上研究和模拟系统的最重要的理论方法之一。基于解决量子力学的基本方程而没有任何额外的假设或近似，近几十年来在许多技术领域获得了相关性，用于材料的设计和发现，如凝聚态物理和纳米技术，并通过研究材料的原子和电子行为来揭示材料的宏观特性。由于计算资源的更高效率以及用户友好和开源软件包的引入，目前广泛使用第一原理模拟作为预测和调查工具。几十年来，第一性原理计算取得了长足的进步，并成为在原子水平上预测可充电电池中各个组件关键性能的强大工具[1]。

计算科学在先进锂离子电池（LIB）系统的材料设计中起着至关重要的作用。基于量子力学的第一性原理计算，以密度泛函理论（DFT）计算为代表，成功地在原子尺度上预测和解释了LIB体系中材料的性质和行为。特别是，DFT方法已经证明了它们在计算电极材料的热力学和动力学性质方面的优势。此外，DFT计算可以与统计力学相结合，以确定宏观性质，并在系统水平上对材料的电化学行为提供有意义的见解。此外，最近的研究表明，将DFT计算与系统模型相结合可以帮助解释LIB系统复杂的实验表征结果[2]。第一性原理计算可以提供凝聚态物质平衡态电子密度分布的准确信息。材料的宏观热力学性质也可以用这种计算的电子结构来确定。对于电池系统来说，反应物和生成物的热力学性质会影响重要的电化学性质，如电压分布和工作条件下的稳定性。

 

 [1] Gabin Yoon, Do-Hoon Kim, Inchul Park, Donghee Chang, Byunghoon Kim, Byungju Lee, Kyungbae Oh, Kisuk Kang, Using first-principles calculations for the advancement of materials for rechargeable batteries[J]. Advanced Functional Materials, 2017, 27(40): 1702887.

[2] Xu B., Christopher R. Fell, Chi M., Ying Shirley Meng, Identifying surface structural changes in layered Li-excess nickel manganeseoxides in high voltage lithium ion batteries: A joint experimental and theoretical study[J]. Energy & Environmental Science, 2011, 4: 2223-2233.

 

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