Graphene-Enhanced Hybrid Phase Change Materials for Thermal Management of Li-Ion Batteries
锂离子电池是移动通信和运输技术进步的关键组成部分。然而，锂离子电池具有很强的自热性，这限制了它们的使用寿命，并产生了可靠性和环境问题。在这里，我们表明，热管理和锂离子电池的可靠性可以大大提高使用混合相变材料与石墨烯填料。电池的常规热管理依赖于相变材料在小的温度范围内相变时存储在相变材料中的潜热，从而降低电池内部的温度上升。将石墨烯结合到基于烃的相变材料中允许将其热导率增加超过两个数量级，同时保持其潜热存储能力。显热和潜热存储的组合以及电池组外部的改进的热传导导致典型的锂离子电池组内部的温度升高的显著降低。所描述的组合热存储-热传导方法可以导致锂离子和其他类型电池的热管理的变革性变化。
2013-05-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Atomistic Insights into the Effects of Phosphorous Doping of Graphene Anode in a Lithium Ion Battery
受最近的实验和理论研究的启发[Yang等人，2017]，其中石墨烯中的突起已被提出作为增强钠离子电池性能的有效策略，通过使用密度泛函理论进行石墨烯中磷掺杂对Li的吸附和扩散行为的影响的全面研究。我们发现，在石墨烯中引入P-掺杂剂的突起增强了单个Li原子到阳极上的吸附，这是由于Li和衬底的碳原子之间的额外的部分共价键合特性。然而，随着Li原子浓度的增加，它们倾向于形成团簇，这可能导致枝晶生长并因此导致电池失效。费米能级的有限态密度保证了P掺杂石墨烯在吸附Li原子前后的电子导电性。除了费米能级随Li浓度的增加有一个小的上移外，没有观察到DOS的显著变化。这种突起的存在充当Li的捕获中心，并阻碍它们在衬底上的迁移，导致阳极的循环性能差。这一原子水平的研究将为进一步开发新型电池技术的阳极材料提供有用的指导。
2020-05-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Two-Dimensional graphene-HfS$_2$ van der Waals heterostructure as electrode material for Alkali-ion batteries
在反复充电和放电期间，导电性差和体积膨胀大是当前使用的许多电池电极材料的特征。这导致2D材料，特别是多层2D系统，被认为是替代品。在这些2D多层系统中，基于石墨烯的范德华异质结构具有作为层之一的过渡金属二硫族化物（TMDC）。因此，在本研究中，石墨烯-二硫化铪（Gr-HfS $_2$）系统作为原型Gr-TMDC系统被研究用于作为电池电极的应用。密度泛函理论计算表明，Gr-HfS $_2$范德华异质结构的形成是积极的青睐。为了探索其电池电极应用能力，在异质结构的层间引入Li、Na和K嵌入剂。发现Li和K是良好的嵌入剂，因为它们具有低的扩散势垒以及正的开路电压。与双层石墨烯和双层HfS $_2$的比较表明，Gr-HfS $_2$是有利的电池电极系统。
2020-05-13 cond-mat.mtrl-sci
Graphene/MoS2 van der Waals Bilayer as the Anode Material for Next Generation Li-ion Battery: A First-Principles Investigation
我们进行了密度泛函理论（DFT）计算的双层异质结构结合的石墨烯层与二硫化钼层与插入和不插入锂原子。我们的计算证明了范德华（vdW）相互作用的重要性，这是至关重要的层之间形成稳定的键合。我们的DFT计算正确地再现了线性色散，或狄拉克锥，功能在费米能的孤立的石墨烯单层和带隙的二硫化钼单层。对于组合的石墨烯/MoS 2双层，我们观察到有趣的电子结构和态密度（DOS）特性附近的费米能，显示两个间隙的功能的MoS 2层和间隙状态与线性色散主要由石墨烯层贡献。我们计算的总态密度（DOS）在这个vdW异质结显示，石墨烯层显着有助于钉扎费米能在中心的带隙的MoS 2。我们还发现，在石墨烯/MoS 2异质结构的层之间插入Li离子通过阳离子（Li吸附原子）和阴离子（石墨烯和MoS 2单层）之间的轨道杂化来增强结合能。此外，我们计算了Li插层石墨烯/MoS 2异质结构的介电函数，其虚部可以直接与光学电导率的实验测量进行比较，以验证我们的理论预测。我们在介电函数的虚部中观察到尖锐的特征，这表明在光学电导率中存在Drude峰，因此在锂化石墨烯/MoS 2异质结构中存在金属性。
2015-02-25 cond-mat.mtrl-sci
Polymer-Derived SiOC Integrated with a Graphene Aerogel As a Highly Stable Li-Ion Battery Anode
无定形聚合物衍生的碳氧化硅（SiOC）作为石墨的替代物是锂离子电池阳极的有吸引力的候选物，石墨的理论容量限于372 mAh/g。然而，SiOC往往表现出差的传输性能和循环性能，作为稀疏分布的碳簇和低效的活性位点的结果。为了克服这些限制，我们通过将聚合物前体溶剂辅助渗透到改性的三维石墨烯气凝胶骨架中来设计和制造层状石墨烯SiOC异质结构。高熔点溶剂的使用促进了前体的冷冻干燥，其在热解之后产生SiOC作为负载在氮掺杂的还原氧化石墨烯气凝胶的表面上的层。这里采用的制造方法修改的SiOC相的组成和微观结构。在所研究的材料中，对于中等SiOC含量的样品获得了最高水平的性能，其中石墨烯网络占系统的19.8重量%。在这些材料中，在低充电速率下实现了751 mAh/g的稳定可逆充电容量。在1480 mA/g的高充电速率下，容量保持率约为1.5%。95%（352 mAh/g）。在所有速率下，第一次循环后库仑效率保持在99%以上。与无支撑的SiOC相比，石墨烯气凝胶SiOC纳米复合材料的所有指标的性能都有很大提高。该性能归因于跨多个长度尺度的机制。富氧的SiO 4-xCx四面体单元和SiOC内的连续游离碳网络的存在提供了用于可逆锂化的位点，而层状石墨烯SiOC异质结构提供了高离子和电子传输。
2021-04-14 cond-mat.mtrl-sci
Magnetic Properties of Potential Li-ion Battery Materials
本研究综述锂离子电池技术发展、安全与冷却问题，并利用Quantum Espresso计算潜在材料的磁性特性以提升电池性能。
2025-01-21 cond-mat.mtrl-sci
A Madelung-Buckingham Model for the Variation of the Cubic Lattice Constant of LixMn2O4 during the charge and discharge of the Lithium-ion Battery
LixMn 2 O 4是锂离子电池的重要正极材料。在电池充电期间，化学计量x从1到零连续变化，并且在放电时，化学计量x从零到一变化。LixMn 2 O 4的立方晶格常数a取决于x的值，并且a随x的变化对电池性能具有重要影响。本文使用Madelung-Buckingham模型来研究这种变化，并将结果与LixMn 2 O 4的实验数据进行比较
2004-04-05 cond-mat.mtrl-sci
Facile synthesis of 2D graphene oxide sheet enveloping ultrafine 1D LiMn2O4 as interconnected framework to enhance cathodic property for Li-ion battery
立方尖晶石型锂锰氧化物（LiMn 2 O 4）作为大规模锂离子电池的正极材料，近年来引起了人们的广泛关注。本文采用水热法和固相反应相结合的方法，制备了直径为10- 50 nm的一维LiMn_2 O_4。为了提高这些纳米棒的阴极性能，开发了一种独特的热处理合成技术，以生长包裹1D LiMn 2 O 4作为互连框架的2D氧化石墨烯片。该纳米复合三维多孔阴极在0.05C倍率下具有130 mAh/g的高比荷容量，在3.5 - 4.3V（相对于Li/Li+）的电位窗口中100次循环后的库仑效率约为98%，具有良好的初始充电容量保持率约为87%，并且即使在100次循环后也具有优异的结构稳定性。锂化和脱锂过程的增强导致性能的改善可能源于2D导电氧化石墨烯片。它允许减少Mn溶解，提高电子传导性，并减少在超细1D LiMn 2 O 4纳米棒的有利形态和结晶度内的Li离子路径扩散，从而产生有前途的阴极纳米复合材料。
2018-08-30 cond-mat.mtrl-sci
In-situ Synthesis of Bismuth/Reduced Graphene Oxide Nanocomposites as High Capacity Anode Materials for Mg-ion Battery
本文中，在氮气气氛下通过溶剂热方法进行铋和氧化石墨烯的原位还原，并且将所得的RGO上的Bi纳米复合材料用作Mg离子电池的阳极材料。60%Bi：40%RGO的纳米复合材料是一种有益的阳极材料，在第1次和第50次循环中，在39 mA/g的比电流下，放电容量分别高达413和372 mAh/g。此外，它显示出高倍率性能，在53、100、200、500和700 mA/g的比电流下，放电容量分别为381、372、354、295和238 mAh/g。纳米复合材料更好的电化学性能是由于电子电导率的改善和电化学循环过程中体积变化的显着减少。这项研究表明，铋（Bi）在还原氧化石墨烯（RGO）纳米复合材料作为一个有前途的高容量阳极镁离子电池具有更长的寿命周期和高倍率性能。
2020-04-02 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
{110} Plane Orientation Driven Superior Li-ion Battery Performance and Room Temperature Ferromagnetism in Co3O4 Nanostructures
本文介绍了多孔Co 3 O 4纳米片和纳米线的制备方法及其多功能特性。令人惊讶的是，与其他阴极材料相比，在与室温铁磁性（RTFM）相同的样品中表现出显著优异的锂离子电池性能。显微结构观察、性能测试和分析表明，在适当的制备条件下，Co 3 O 4纳米结构的形貌发生了自发的转变，主要表现为{110}晶面取向，Co 3+物种优先出现在表面。暴露在表面上的八面体（O）位置中的更多Co 3+与更多Co 3+是Co 3+相关|\cdot（具有捕获的载流子的Co 3+）或由于表面缺陷或氧空位而在O位置被还原为Co2+，这可能是优异的电传输性能然后高的Li电池性能的机理;同时，被还原为Co2+或被Co 3+捕获的自由载流子|\cdot在O位的作用是电荷载流子介导的铁磁性，也可能是RTFM的起源。这些结果进一步表明，在过渡金属氧化物作为多学科功能材料的制备中，改性表面的纳米结构的重要性。
2012-07-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
$β$-Irida-Graphene: A New 2D Carbon Allotrope for Sodium-Ion Battery Anodes
本文提出新型二维碳同素异形体$β$-Irida-graphene，通过密度泛函理论和分子动力学模拟证明其热/动力学/机械稳定、导电性好、钠离子迁移能垒低（<0.30 eV），预测比容量达554.5 mAh/g，是钠离子电池负极的有力候选。
2025-08-06 cond-mat.mtrl-sci
Exploits, advances and challenges benefiting beyond Li-ion battery technologies
由于对移动设备、电动汽车和储能系统的迫切需求，电池市场正在迅速扩张，为当前的能源转型保驾护航。除了锂离子电池之外，锂离子电池对于遵循这些多速度变化并适应每个应用的特殊性非常重要。该综述研究将解决一些相关的后锂离子问题和电池技术，包括钠离子电池、镁离子电池、钙离子电池、锌离子电池、铝离子电池和阴离子（F-和Cl-）穿梭电池。介绍了MH基电池，重点介绍了NiMH电池和新型MH锂离子电池。最后，为了促进进一步的研究和发展，一些未来的研究趋势和方向进行了讨论的基础上比较不同的电池系统相对于锂离子电池的假设。值得注意的是，水溶液系统最有可能被重新考虑，以实现电池的集约化、成本效益和更安全的生产;例如，用于（准）固定储能应用。
2020-05-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Mn3O4-Graphene Hybrid as a High Capacity Anode Material for Lithium Ion Batteries
我们开发了两步溶液相反应以在还原氧化石墨烯（RGO）片上形成用于锂离子电池应用的Mn 3 O 4纳米颗粒的杂化材料。相对于溶液中的自由颗粒生长，在RGO片上选择性生长的Mn 3 O 4纳米颗粒允许电绝缘Mn 3 O 4纳米颗粒通过下面的导电石墨烯网络连接到集电器。在RGO上形成的Mn 3 O 4纳米颗粒显示出高达~ 900 mAh/g的高比容量，接近其理论容量，具有良好的倍率性能和循环稳定性，这归因于石墨烯基底与其上生长的Mn 3 O 4纳米颗粒之间的密切相互作用。Mn 3 O 4/RGO杂化材料有望成为高容量、低成本、环境友好的锂离子电池负极材料。我们的石墨烯生长方法应该为基于高绝缘材料的电池电极的设计和合成提供一种新技术。
2010-09-20 cond-mat.mtrl-sci
Computation of Madelung Energies for Ionic Crystals of Variable Stoichiometries and Mixed Valencies and their application in Lithium-ion battery voltage modelling
静电能（马德隆能）是离子晶体内聚能的主要组成部分。这些材料的若干物理化学性质取决于它们的静电能对各种施加的热、电和机械应力的响应。在本研究中，已经开发了一种方法的基础上Ewalds技术，计算离子晶体如LixMn 2 O 4与可变化学计量和混合价的离子-离子相互作用所产生的静电能。首次提出了该方法在计算尖晶石阴极锂离子电池电压中的一个有趣应用。本文还讨论了本计算方法与现有方法相比的优点。
2004-04-05 cond-mat.mtrl-sci
Three-dimensional graphene networks modified with acetylenic linkages for high-performance optoelectronics and Li-ion battery anode material
寻找具有合适带隙和优良光电性能的三维半导体碳同素异形体一直是新兴的全碳光电子学研究者追求的目标。另一方面，3D碳材料也被认为是锂离子电池（LIB）中优于商业化石墨的有前途的阳极材料。在这里，使用第一性原理计算，我们提出了两个新的三维碳同素异形体通过炔键修饰的两个结构密切相关的三维碳结构-碳kagome晶格（CKL）和互穿石墨烯网络（IGN）。改性的CKL是一个真正的直接带隙半导体，并可能具有最强的光学跃迁系数之间的所有半导体碳同素异形体。合适的带隙和小的有效质量也意味着它可以是用于钙钛矿太阳能电池的良好的电子输运材料（ETM）。对于改性后的IGN，它是一种拓扑结构的半金属，作为锂离子电池的阳极材料，其比容量比IGN有很大提高。我们的工作不仅为高性能光电子和锂离子阳极材料找到了两种具有极好物理和化学性能的新3D碳相，还为创造具有多功能特性的各种碳结构提供了新的视角。
2019-08-20 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
TPDH-Graphene as a New Anodic Material for Lithium Ion Battery: DFT-Based Investigations
该研究利用 DFT 计算评估新型二维碳材料 TPDH-gr 的锂离子电池负极性能，揭示其适中的 Li 吸附、快速扩散、稳定嵌入与金属导电性，证明其应用潜力。
2024-07-05 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
A Brief Review of Current Lithium Ion Battery Technology and Potential Solid State Battery Technologies
固态电池技术最近引起了丰田、宝马、戴森等公司的极大兴趣。固态电池（SSB）商业化背后的主要驱动力是能够使用锂金属作为阳极，而不是目前使用的碳阳极，这将导致约20%的能量密度改善。然而，迄今为止没有报道的固态电池满足现有技术的液体电解质锂离子电池（LIB）的所有性能指标，并且实际上若干固态电解质（SSE）技术可能永远无法达到与当前LIB同等的水平。我们首先回顾了最先进的LIB，包括其当前的性能特点，成本的商业趋势，和未来的可能性。然后，我们讨论了目前的SSB的研究重点是三类固态电解质：硫化物，聚合物和氧化物。我们讨论了SSB领域最近和正在进行的商业化尝试。最后，我们总结了我们对商业电池未来的看法和时间轴。
2018-03-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Amorphous carbon a promising material for sodium ion battery anodes: a first principles study
我们提出了一个比较从头计算研究钠和锂存储在无定形（玻璃）碳（a-C）与石墨。通过将随机生成的结构拟合到参考径向分布函数来获得非晶结构。Li插入在石墨和a-C中均是热力学上有利的。虽然钠插入在石墨中在化学上是不利的，但a-C具有多个插入位点，其结合能强于Na内聚能，使其可用作Na离子电池的阳极材料。
2015-02-03 cond-mat.mtrl-sci
"Knees" in lithium-ion battery aging trajectories
锂离子电池可以使用多年，但有时会出现快速的非线性退化，严重限制了电池的寿命。在这项工作中，我们回顾了以前的工作“膝盖”的锂离子电池老化轨迹。我们首先回顾膝盖的定义和三类“内部状态轨迹”（称为雪球，隐藏和阈值轨迹），可以导致膝盖。然后，我们讨论了六个膝盖的“途径”，包括锂电镀，电极饱和，电阻增长，电解质和添加剂耗尽，膨胀有限的连接，和机械变形-其中一些具有电化学检测不到的信号的内部状态轨迹。我们还确定了膝关节的关键设计和使用敏感性。最后，我们讨论了膝关节建模和预测的挑战和机遇。我们的研究结果说明了锂离子电池退化的复杂性和微妙性，可以帮助学术界和工业界提高电池寿命。
2022-01-08 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Al-Cu-Fe quasicrystals as anode of lithium ion battery
本文采用Al-Cu-Fe准晶合金作为锂离子电池负极材料。首次放电比容量为204 mAh/g。循环伏安法表明，Al-Cu-Fe准晶的氧化峰在1.4V左右。还原峰在0.3V处。Al-Cu-Fe准晶具有较高的锂离子扩散阻抗和首次循环的Warburg值。X射线衍射分析表明，在首次充放电循环中，进入准晶结构的Li原子不能完全脱离准晶，从而导致不可逆容量的产生。
2018-09-11 cond-mat.mtrl-sci
Operando optical tracking of single-particle ion dynamics and phase transitions in battery electrodes
推进锂离子电池技术的关键，特别是快速充电能力，是我们能够在现实条件下实时跟踪和理解材料在纳米到中尺度上的动态过程。目前，锂离子动力学的操作成像需要复杂的同步加速器X射线或电子显微镜技术，但这些技术不适合高通量材料筛选。这限制了快速和合理的材料改进。在这里，我们介绍了一个简单的实验室为基础的，光学干涉散射显微镜，以解决电池材料中的纳米锂离子动力学，并将其应用于以下的原型阴极材料锂$_\textit{x}$ CoO $_2$的重复循环。该方法使我们能够直接可视化的绝缘体金属，固溶体和锂有序相变在这种材料。我们在单粒子水平上确定锂的插入和移除速率，并确定充电与放电时发生的不同机制。最后，我们捕获的动态形成的域边界之间的不同的晶体取向与单斜晶格畸变在周围的Li $_{0.5}$ CoO $_2$。我们的方法的高通量性质允许在整个电极上对许多颗粒进行采样，并且向前发展，将能够探索位错，形态和循环速率对电池退化的作用。我们成像概念的一般性意味着它可以应用于研究任何电池电极，更广泛地说，离子传输与电子或结构变化相关的系统，包括纳米离子膜，离子导电聚合物，光催化材料和忆阻器。
2020-11-20 cond-mat.mtrl-sci
Understanding the degradation of a model Si-anode in Li-ion battery at the atomic-scale
由于与石墨相比，预期容量增加十倍，Si阳极长期以来一直是候选者。然而，控制其降解的机制的细节仍然难以捉摸，阻碍了科学指导的长寿命硅基阳极的发展。在这里，我们展示了冷冻原子探针断层扫描的最新发展如何使电极和电解质的深入分析，以及它们在原子水平上的界面。
2022-07-17 cond-mat.mtrl-sci
A novel two-mechanism full battery model for solid state Li-ion batteries: review and comparisons
近年来，出于安全性（由于有毒和易燃的有机液体电解质的问题是众所周知的）以及高能量密度\cite{SCHNELL2018160,Zheng2018}的原因，对开发全固态电池有很大的兴趣。与实验研究并行的是，计算模拟\cite{GrazioliEtAlCM2016}揭示了在电池运行期间以不同尺度\cite{LiMonroeARCBM2020}互连的几种物理学。因此，几种先进的数学模型已经出版了\cite{bistriM2020}。我们在这里提出了一个新的先进的模型，这是多尺度兼容和完全三维的性质。此外，我们回顾了一些经典的或鼓舞人心的模型，突出的概念演变，最终收集在我们的工作。该模型的实验证据的Li/LiPON/LiCoO $_2$薄膜电池发表在\cite{Danilovetal2011}。
2021-05-06 cond-mat.mtrl-sci
Metastable Cation-Disordered Niobium Tungsten Oxides as Li-ion Battery Anode Materials
本研究开发了新型anti-Li3N结构的全阳离子无序亚稳态铌钨氧化物，发现其作锂电负极时会转变为阳离子无序立方结构，丰富了相关材料体系与负极机理研究。
2023-06-14 cond-mat.mtrl-sci
Interaction of hydrogen-edged boron nitride flakes with lithium: boron nitride as a protecting layer for a lithium-ion battery and a spin-dependent photon emission device
目前的可再充电电池技术在高压和高温下的性能失败。在这篇文章中，我们带来了使用氮化硼薄片作为锂离子电池器件保护层的理论见解，并将其应用扩展到自旋相关的光子发射器件。因此，通过第一性原理密度泛函理论计算研究了原始和锂掺杂的氢边氮化硼薄片的电子性质。在这项研究中，我们讨论了稳定性，吸附能，键长，电子间隙，前线分子轨道，态密度，电荷分布，和偶极矩的原始和锂氢边缘掺杂氮化硼薄片。
2021-02-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Integrating Density Functional Theory with Deep Neural Networks for Accurate Voltage Prediction in Alkali-Metal-Ion Battery Materials
本研究提出基于PyTorch的深度神经网络模型，结合Materials Project数据集与密度泛函理论验证，实现碱金属离子电池正极材料电压的准确预测，加速新型电池材料的发现与优化。
2025-08-21 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
WS2-graphite dual-ion battery
将传统石墨负极和高容量的少层WS 2鳞片负极结合在一起，研制了一种新型WS 2-石墨双离子电池。WS 2薄片通过利用湿喷射研磨（WJM）剥离来生产，其允许在分散体中大量生产少层WS 2薄片，剥离产率为100%。WS 2-阳极使得基于六氟磷酸盐（PF 6-）和锂（Li+）离子的DIB能够在0.1、0.2、0.3、0.4、0.8和1.0 A g-1的电流率下分别实现457、438、421、403、295和169 mAh g-1的充电比容量，优于常规DIB。基于WS 2的DIB在0至4 V电池电压范围内工作，从而扩展了传统基于WS 2的锂离子电池（LIB）的工作电压窗口。这些结果表明，开发WS 2和可能的其他过渡金属二硫属化物（TMD），用于开发下一代储能设备的新途径。
2019-03-21 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio Molecular Dynamics Simulations of the Initial Stages of Solid-electrolyte Interphase Formation on Lithium Ion Battery Graphitic Anodes
碳酸亚乙酯（EC）在溶剂-石墨阳极界面处的固体电解质界面（SEI）膜初始生长期间的分解对锂离子电池的操作至关重要。采用从头算分子动力学模拟研究了EC/石墨界面的电化学反应。我们表明，碳边缘终端是至关重要的，在这个阶段，可实现的实验条件下，可以导致令人惊讶的快速EC击穿机制，产生的分解产物在实验中看到，但以前没有预测。
2010-09-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Deep learning-driven evaluation and prediction of ion-doped NASICON materials for enhanced solid-state battery performance
该研究利用基于大量实验数据训练的 CNN 预测离子掺杂 NASICON 材料性能，并通过三种材料的合成验证，建立连接理论预测与实验的材料设计框架。
2024-09-09 cond-mat.mtrl-sci
Tailoring of Grain Boundary Structure and Chemistry of Cathode Particles for Enhanced Cycle Stability of Lithium Ion Battery
层状结构的富镍锂过渡金属氧化物阴极商业化的最大挑战是容量和电压衰减。多年来，这个问题的解决取得了渐进的进展。在这项工作中，我们报告了我们发现的一种全新的方法，可以彻底改变锂离子电池聚集阴极颗粒在室温和高温下的循环稳定性。我们发现，将固体电解质注入阴极二次颗粒的晶界中可以显著提高电池的容量保持率和电压稳定性。我们发现，固体电解质注入的边界不仅作为一个快速通道的锂离子传输，但也最重要的是防止液体电解质渗透到边界，从而消除了不利因素，包括固-液界面反应，晶间开裂，和层到尖晶石相变。本工作首次揭示了阴极在不与液体电解质接触的情况下如何表现的前所未有的洞察力，最终指出了通过晶界工程设计更好的固液和固态系统电池的一般新路线。
2017-10-17 cond-mat.mtrl-sci
Determining the Fundamental Failure Modes in Ni-rich Lithium Ion Battery Cathodes
本文通过原位微力学测试直接测量富镍单晶正极的局部力学性能，阐明位错滑移系统、临界应力及其致裂机制，并与多晶行为对比，为寿命预测和韧性正极设计提供基础。
2023-08-12 cond-mat.mtrl-sci
Nanoscale Imaging of Lithium Ion Distribution During In Situ Operation of Battery Electrode and Electrolyte
开发新电池材料的一个主要挑战是了解它们的基本工作机制和降解机制。他们的微观不均匀的性质要求表征工具，提供操作和本地化的信息，从个别晶粒和颗粒。在这里，我们描述了一种方法，图像的纳米级分布的离子在电池电化学充电过程中的透射电子显微镜液流电池。我们使用价态能量损失光谱跟踪溶剂化和嵌入离子，与电子结构指纹的溶剂化离子使用从头算非线性响应理论确定。配备了新的电化学电池支架，纳米光谱和理论，我们已经能够在电化学充电和放电过程中以纳米级分辨率实时确定LiFePO4电极和周围水性电解质的锂化状态。我们跟踪电极和电解质之间的锂转移，并观察阴极中各个颗粒之间的充电动力学。该技术代表了在广泛的电能存储系统中的电化学活性离子的操作纳米级成像的一般方法。
2013-11-25 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Coronene: A High-Voltage Anion De-insertion Cathode for Potassium-Ion Battery
钾离子电池已经被设想为预示着低成本和高性能能量存储系统时代的到来。然而，可行组件的稀少阻碍了这些能源设备的发展。因此，在本文中，我们报道了晕苯，一种高电压阴极材料，其表现出由阴离子插入（去）点燃的高电压$4.1 \rm V$。这项工作不仅阐明了作为有前景的阴极材料的广泛类别的多环芳烃，而且为未来的有机阴极材料的性能设定了新的基准。
2021-10-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Are Universal Potentials Ready for Alkali-Ion Battery Kinetics?
City University of Hong Kong（香港城市大学）；Hong Kong Institute of AI for Science（香港人工智能研究院）
本研究评估了通用机器学习势能模型在碱金属电池动力学中的表现，发现高温度非平衡训练数据是提升动力学准确性的关键因素。
2026-01-16 cond-mat.mtrl-sci
Electrochemical Removal of HF from Carbonate-based $LiPF_6$-containing Li-ion Battery Electrolytes
提出一种简单高效的电化学原位方法，通过在高表面积金属电极上施加合适电势，从含 $LiPF_6$ 的碳基 Li 离子电池电解液中选择性去除 ppm 级 HF 杂质。
2024-01-04 cond-mat.mtrl-sci
Photochargeable Li-ion Battery: Type II Heterojunction Exposes Underlying Band Gap in 'Metallic' Lithiated MoS2
本文通过密度泛函理论计算与光谱技术，揭示了LixMoS2/MoO3异质结中电子密度分散使锂化MoS2潜在带隙暴露的机制，为锂离子电池光阴极材料的理性设计提供了依据。
2023-07-06 cond-mat.mtrl-sci
Real-Time Stress Measurements in Lithium-ion Battery Negative-electrodes
采用圆片曲率法实时测量了石墨基锂离子电池负极在电解液润湿和电化学循环过程中的应力变化。在添加电解质时，由于粘合剂溶胀，复合电极迅速产生约1-2 MPa的压缩应力;在继续暴露时，应力继续朝着明显的平台发展。在缓慢速率的电化学插层期间，压应力随着电极的荷电状态而增加，达到10 - 12 MPa的最大值。在应力上升速率和锂化石墨的分级行为之间似乎存在近似的相关性。以缓慢速率脱嵌导致电极应力的类似线性减小。在前几个循环中，在脱嵌结束时产生几MPa的拉伸应力，之后电极仅保持在压缩应力下。尽管在高C-速率下观察到更高的峰值应力，但依赖性似乎相对较弱（高达5C）。这些测量首次揭示了实际锂离子电池电极中应力演化的性质，并提供了有用的数据来量化在重复循环时复合电极中产生的机械损伤的驱动力。虽然报告的结果可以作为校准理论和计算模型以预测电极应力和损伤演变的参考，但所展示的方法可用于测量应力并表征任何复合锂离子电池电极中的疲劳损伤，以及优化其微观结构以减轻与应力相关的损伤机制。
2012-01-10 cond-mat.mtrl-sci
Voltage dependent first-principles barriers to Li transport within Li ion battery Solid Electrolyte Interphases
本文应用量子连续介质近似（QCA）技术为第一性原理界面计算提供电子恒压器，计算了锂离子穿过多种SEI及晶界的势垒，发现考虑界面和电压效应会显著降低反应势垒。
2024-06-04 cond-mat.mtrl-sci
Temperature Dependent Na-ion Conduction and its Pathways in the Crystal Structure of the Layered Battery Material Na$_2$Ni$_2$TeO$_6$
采用阻抗谱和中子衍射方法研究了层状电池材料Na_2Ni_2TeO_6的Na ~+导电性，以及Na ~+导电途径与晶体结构之间的关系.在323 K时，离子电导率为2 × 10 - 4S/m，随着温度的升高，离子电导率显著提高，在423 K时达到~ 0.03 S/m。电导率随温度的变化表现为Arrhenius型行为，T > 383 K时的平均激活能Ea为~ 0.58（3）eV。采用软键价和分析的中子衍射图案，我们实验证明了特定的网站钠离子传导，通过可视化的微观钠离子传导途径，并验证了最近的理论结果的分子动力学模拟。我们的研究结果揭示了二维钠离子传导途径，被限制在钠层的ab平面内。晶体结构的研究表明，涉及Na离子层的层状结构是负责高离子电导率，和Na离子位点的局部晶体学环境是负责特定位置的电导率。我们的研究进一步表明，在500 K之前，离子导电由位于Na 1和Na 2位的Na离子控制，而在500 K以上，位于三个Na位的所有Na离子都对导电过程有贡献。我们的中子衍射研究还证实了Na_2Ni_2TeO_6的晶体结构至少在725 K（最高测量温度）下是稳定的，但具有各向异性的热膨胀（c/a ~ 3）。
2020-07-14 cond-mat.mtrl-sci
Improved interfacial resistance and crystal-structure stability in a low-cobalt P2-type sodium-ion battery cathode material
本文研究低钴P2型钠离子电池正极NMFCO，通过阻抗等效电路建模与恒电流斜率分析，证明其结构稳定、界面电阻低且能量密度高。
2024-08-02 cond-mat.mtrl-sci
Effect of Succinonitrile on Ion Transport in PEO-based Lithium Ion Battery Electrolytes
采用分子动力学模拟研究了聚氧化乙烯（PEO）和二（三氟甲烷）磺酰胺锂（LiTFSI）盐组成的丁二腈（SN）固体聚合物电解质的离子输运机理。我们研究了温度和SN负载量对PEO-LiTFSI电解质中离子输运和弛豫现象的影响。据观察，SN增加PEO基固体聚合物电解质中的离子扩散率，并使它们适合于电池应用。有趣的是，TFSI离子的扩散系数在整个温度和负载范围内比锂离子的扩散系数高一个数量级。通过分析不同的弛豫时间尺度和研究SN负载系统中的基本输运机制，我们发现TFSI离子的扩散率与Li-TFSI离子对弛豫时间尺度具有良好的相关性。相比之下，我们的模拟预测不同的运输机制，锂离子在SN负载的PEO-LiTFSI电解质。解释，锂离子的扩散率不能唯一地由离子对弛豫时间尺度确定，但另外取决于聚合物链段动力学。另一方面，在给定的温度下的SN负载诱导的扩散系数不相关的离子对弛豫时间尺度或聚合物的节段弛豫时间尺度。
2022-05-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Explaining key properties of lithiation in TiO$_2$-anatase Li-ion battery electrodes using phase-field modelling
锂离子电池性能的提高需要开发能够捕捉锂离子电池电极材料中基本物理和化学的模型。本文提出了一种新的电化学相场模型，该模型捕捉了锂嵌入TiO $_2$-12中的热力学和动力学性质，TiO $_2$-12是一种众所周知的和深入研究的锂离子电池电极材料。以前的实验工作锂化的钛酸锂$_2$提供了所有必要的参数相场模拟，使有机会获得基本的洞察力锂化的钛酸锂和验证这个相场模型。相场模型捕捉到了实验观察到的基本现象，合理化了C-速率，粒度，表面积和记忆效应对锂离子电池电极性能的影响。从而提供了一个全面的物理图片的锂化的TiO2 $_2$。模拟结果表明，锂离子在颗粒表面的Li $_1$ TiO $_2$相中的扩散不良限制了锂离子的性能。与其他电极材料不同，单个颗粒的动力学限制限制了全电极的性能。因此，改善Li-TiO $_2$电极的性能需要防止在颗粒表面形成阻挡Li-$_1$-TiO $_2$相，而不是改善电极中的离子和电子网络。此外，仅包含文献中参数的相场模型与广泛的实验的定性一致性证明了相场模型用于理解锂离子电极材料的能力，以及其通过透彻理解材料特性及其相互作用来指导电极设计的承诺。
2017-07-13 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Cracking predictions of lithium-ion battery electrodes by X-ray computed tomography and modelling
锂离子电池电极的断裂被发现有助于容量衰减并减少电池的寿命。传统的电池断裂模型仅限于考虑单个理想化颗粒;在此，先进的X射线计算机断层成像（CT）成像、电化学力学模型和相场断裂框架相结合，以预测真实电池电极微结构的电极颗粒中的空隙驱动断裂。所示的电极表现出高度不均匀的电化学和断裂响应，这取决于颗粒尺寸和距离分隔器/集电器。该模型能够预测由于扩大的循环电压窗口，作为电极厚度的函数的开裂敏感性，和放电速率的损伤敏感性增加的开裂。该框架提供了一个平台，有助于更深入地了解电极断裂，并能够设计具有更高容量和改善降解特性的下一代电极。
2022-02-19 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.chem-ph
Extracting the Redox Orbitals in Li Battery Materials with High-Resolution X-Ray Compton Scattering Spectroscopy
我们提出了一个精辟的光谱技术，直接探测氧化还原轨道的基础上，通过高分辨率X射线康普顿散射体电子动量密度测量。讨论了该方法在锂离子电池正极材料尖晶石LixMn2O4中的应用。在锂的嵌入和提取过程中所涉及的轨道被证明主要是氧2p轨道。此外，锰的3d状态显示出经历空间离域，涉及0.16电子每个Mn网站在电池操作过程中。我们的分析提供了对锂离子电池工作中所涉及的基本氧化还原过程的清晰理解。
2015-03-03 cond-mat.mtrl-sci
Non-equilibrium Ion Transport in a Hybrid Battery Material
本研究针对普鲁士蓝类似物K₂Mn[Fe(CN)₆]电极，揭示其电荷存储由非平衡转变过程主导，源于混合骨架的低弹性模量与协同畸变，为PBA正极优化及混合材料质量输运研究提供新方向。
2025-09-04 cond-mat.mtrl-sci
Preparation and electrochemical properties of nitrogen-doped starch hard carbon anode materials for lithium-ion battery
本文以玉米淀粉为原料制备氮掺杂硬碳材料，发现氮掺杂以三种形式嵌入碳层，降低了材料无序度，显著提升了锂离子电池负极的可逆容量和倍率性能。
2024-07-21 cond-mat.mtrl-sci
TiO$_2$ nanotubes with different spacing, Fe$_2$O$_3$ decoration and their evaluation for Li-ion battery application
在目前的工作中，我们报告了使用有组织的TiO $_2$纳米管层与一个规则的管间间距的高度定义的$α$ -Fe $_2$ O $_3$纳米针在间隙中的生长。然后将这些$α$ $_2$ O $_3$修饰的TiO $_2$ NT用于锂离子电池应用，并与经典的密堆积NT进行比较，所述经典的密堆积NT都用不同量的纳米级$α$ $_2$ O $_3$修饰。我们表明，管到管间距的纳米管允许均匀装饰的个别纳米管与规则排列的赤铁矿纳米针。管间距也有利于电解质渗透以及产生更好的离子扩散。而裸露的紧密堆积的NT显示出更高的电容，例如，71 $μ$ Ah cm-2，而不是裸露的间隔NT，54 $μ$ Ah cm-2，具有第二金属氧化物$α$ -Fe $_2$ O $_3$的分级装饰显著增强了锂离子电池性能。即，具有$α$ -Fe $_2$ O $_3$装饰的间隔纳米管具有477 $μ$ Ah cm-2的面积电容，即，显示出高达约8倍的电容。然而，具有$α$ -Fe $_2$ O $_3$装饰的密堆积NT的面积电容在208 $μ$ Ah cm-2处饱和，即，限制在3倍左右。
2020-04-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Topological and Network Analysis of Lithium Ion Battery Components: The Importance of Pore Space Connectivity for Cell Operation
锂离子电池组件（例如电极和隔板）的结构通常以其孔隙率和弯曲度来表征。这些值的比率给出了锂离子在电解质填充的孔隙空间中的有效传输，其可用于确定离子电阻率和相应的电压损失。在这里，我们表明，这些微观结构特征是不够的。商业隔板的层析数据的分析揭示，不同的聚烯烃隔板具有相似的孔隙率和贯通平面弯曲度，这在锂离子电池操作的均质化图中将意味着这些不同的隔板表现出相似的性能。然而，数值扩散模拟表明，情况并非如此。我们证明，锂离子浓度梯度诱导或平滑的分离器结构的程度是链接到孔隙空间的连通性，一个参数，可以通过拓扑或基于网络的分析分离器确定。这些发现使我们能够提出如何设计更安全并适应快速充电和放电的隔板微结构。
2018-05-23 cond-mat.mtrl-sci eess.IV physics.app-ph
A coupled phase field formulation for modelling fatigue cracking in lithium-ion battery electrode particles
电极颗粒开裂是导致电池容量下降的主要现象之一。最近的相场断裂研究调查了颗粒开裂行为。然而，只考虑了寿命的开始，而忽略了损伤累积等影响。在这里，一个多物理场相场疲劳模型已被开发，以研究裂纹扩展的电池电极颗粒经历数百个周期。此外，我们耦合我们的电化学机械配方与X射线CT成像模拟疲劳裂纹的现实颗粒微观结构。使用这个建模框架，非线性裂纹扩展行为的预测，导致观察到的裂纹面积与周期数的指数增加。观察到三个阶段的裂纹扩展（缓慢，加速和不稳定），与现象，如裂纹初始化凹区和裂纹聚结产生的疲劳裂纹扩展速率有显着的贡献。确定了C率、颗粒尺寸和初始裂纹长度的临界值，发现其低于文献中使用静态断裂模型所报道的临界值。因此，这项工作证明了在电池退化模型中考虑疲劳损伤的重要性，并提供了控制疲劳裂纹扩展以减轻电池容量退化的见解。
2022-06-25 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Graded lithium-ion battery pouch cells to homogenise current distributions and mitigate lithium plating
本文提出通过平面内分级电极微观结构来平滑大型锂离子电池软包电池的空间分布，建立并验证了数学模型，推导出最优分级电极解析解，将发生锂沉积的倍率从2.4C提升至4.3C，显著改善了高倍率性能。
2024-12-18 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Predicting doping strategies for ternary nickel-cobalt-manganese cathode materials to enhance battery performance using graph neural networks
针对NCM正极掺杂策略繁多、难以优选的问题，本文整合既有研究构建NCM锂离子电池综合数据库，并用图神经网络建立数据驱动模型预测最佳掺杂方案。
2024-09-02 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Multiple scales homogenisation of a porous viscoelastic material with rigid inclusions: application to lithium-ion battery electrodes
本文针对现代锂离子电池电极复合材料，考虑活性颗粒膨胀、粘结剂吸液膨胀、外载与电解质流动，利用多尺度均匀化方法推导出准确且求解成本更低的宏观有效力学模型，助力低成本计算与抗滥用电池设计。
2024-10-15 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Particulate analysis of post-thermal runaway soot of Li-ion battery using X-ray computed tomography
National Laboratory of the Rockies（落基山国家实验室）
研究通过X射线计算机断层扫描分析锂离子电池热失控产生的炭黑颗粒结构，揭示其健康风险，强调核心壳结构中致癌物质的检测重要性。
2026-05-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.ins-det
