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鋰離子電池（LIB）的主要進展取決于新型高性能電極材料的開發，這需要對其特性有基本的了解。在預測和解釋電極材料的特性和行為、理解原子尺度的充放電機制、提供合理的設計策略方面，第一性原理計算已成為開發用于高能量密度 LIB的新型電極材料的強大技術。

在此，北京工業大學尉海軍教授等人介紹了基于第一性原理計算的最新進展，并強調了它們在當代LIB正極材料研究中的寶貴作用。作者首先介紹了用于模擬LIB正極關鍵特性的第一性原理計算方法，包括密度泛函理論（DFT）、過渡態理論和輕推彈力帶方法（NEB）、從頭算分子動力學（AIMD）、蒙特卡洛模擬（MC）和集群擴展、從頭算原子熱力學（AIAT）等。

然后介紹了LIB正極的三種代表性反應場景，即金屬陽離子氧化還原、混合陽離子和陰離子氧化還原以及純陰離子氧化還原，展示了如何計算與結構組件相關的材料屬性，包括平衡晶體結構、相變和穩定性、電池電壓和容量、離子擴散機制、陽離子無序和離子摻雜。此外，還給出了結合實驗的第一性原理計算示例，包括晶疇演化、離子摻雜劑選擇、離子遷移、新材料預測等。

圖1. 基于第一性原理計算的方法、材料性能、電化學參數

最后，作者對LIBs中第一性原理計算的挑戰和未來方向進行了總結和展望：

（1）在理論模型和實際材料之間架起橋梁，開發和整合從原子到宏觀尺度的多尺度計算技術；

（2）虛擬篩選出數百萬種材料用于特定應用，預測未知化合物，從而降低實驗成本；

（3）在理論認識的基礎上考慮局部原子結構（元素、價態、鍵合、取向、堆疊等）的合理設計和晶疇電池材料的制備；

（4）需要更復雜的表征工具來深入了解電池特性。

圖2. 陽離子/陰離子氧化還原反應激活正極的計算研究展望

First-principles computational insights into lithium battery cathode materials, Electrochemical Energy Reviews 2021. DOI: 10.1007/s41918-021-00115-5

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北工大尉海軍EER綜述：用于鋰電池正極材料的第一性原理計算

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北工大尉海軍EER綜述：用于鋰電池正極材料的第一性原理計算

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