材料物理论文提纲

论文题目：钠离子电池铁基/锰基聚阴离子材料物理和电化学性质的第一性原理计算

摘要：随着互联网、物联网、人工智能、智能城市、5G时代的到来,储能行业迎来了新一轮春天。尤其适用于大规模储能领域的钠离子电池,因资源极其丰富、价格低廉、且具有与锂离子电池相似的化学性质等优势,受到了科研人员的广泛关注。目前,二次电池市场上有LiFePO4作为高性能的锂离子电池正极材料,代替了传统的LiCoO2电池材料而被广泛商用于各大能源领域。同样地,作为磷酸根聚阴离子的钠的化合物,其通式为NaMPO4（M=Fe,Mn,Co,Ni等过渡金属元素）,近年来也引起了科研人员的研究兴趣。本文将使用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对钠离子电池正极材料NaMPO4（M=Fe,Mn）进行理论计算,并进一步分析材料的物理和电化学性质等。主要的研究内容包括:第一部分中,在第一性原理计算和对Bader电荷分析的基础上,对NaFePO4在充放电过程中的氧化还原过程进行了分析。阴离子参与氧化还原过程有可能提供额外的理论容量,因此对氧化还原反应的研究具有重要意义。与LiFePO4不同,NaFePO4存在triphylite和maricite两种相。结果表明,两种NaFePO4相中均存在明显可见的阴离子氧化还原反应。此外,还计算和分析了两种材料在不同脱钠量情况下的电子分波态密度、材料体积和磁矩的变化、电荷密度图,用于帮助理解氧化还原反应的过程。第二部分中,对具有橄榄石型结构的NaMnPO4进行了第一性原理的计算。橄榄石型的NaMnPO4价格低廉、安全性好、绿色环保且具有一维的钠离子传输通道,也同样具备研究价值。论文的这部分详细分析了 NaMnPO4的晶体结构,并计算了橄榄石型NaMnPO4自旋极化的能带结构和电子态密度等,用于帮助从理论上理解该材料的物理和电化学特性。可以说明,材料中MnO6八面体畸变的产生是锰离子氧化还原过程中的Jahn-Teller效应引起的。此外,还计算了NaMnPO4和完全脱钠相MnPO4情况下材料的差分电荷密度和磁矩的变化,结果显示从NaMnPO4到MnPO4过程中磁矩呈下降趋势。

关键词：第一性原理;钠离子电池;聚阴离子化合物;氧化还原;电子结构

学科专业：凝聚态物理

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 钠离子电池简介

1.1.1 钠离子电池的发展及研究背景

1.1.2 钠离子电池的工作原理

1.1.3 钠离子电池的主要参数指标

1.2 钠离子电池正极材料

1.2.1 钠离子过渡金属层状氧化物

1.2.2 钠离子普鲁士蓝化合物

1.2.3 钠离子磷酸根聚阴离子化合物

1.3 论文的结构框架

参考文献

第二章 理论基础和计算方法

2.1 多粒子体系问题

2.2 密度泛函理论概述

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理

2.2.2 Kohn-Sham方程

2.3 求解交换关联能

2.3.1 局域密度近似(LDA)

2.3.2 广义梯度近似(GGA)

2.3.3 结合Hartree-Fock方程的混合泛函(Hybrid functional)

2.3.4 DFT+U方法

2.4 密度泛函理论的应用

2.4.1 平面波基组

2.4.2 赝势方法

2.4.3 投影缀加波方法

2.4.4 VASP简介

参考文献

第三章 NaFePO_4的阴离子氧化还原过程研究

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 结构参数

3.3.2 差分电荷密度

3.3.3 脱钠过程的氧化还原反应与电荷补偿

3.3.4 钠离子扩散路径以及充放电过程中的体积变化

3.3.5 磁矩讨论

3.4 结论

参考文献

第四章 NaMnPO_4电子结构的第一性原理计算

4.1 引言

4.2 计算方法

4.3 结构参数

4.4 电子结构

4.4.1 电子态密度

4.4.2 能带结构

4.4.3 差分电荷密度图

4.4.4 磁矩讨论

4.5 结论

参考文献

第五章 总结与展望

致谢