摘要近些年，人们为了设计出性能更好，循环寿命更长的新型锂电池，将具有更高的 储锂能力的硅材料看作最具潜力替代碳材料成为锂离子电池的负极材料。不过，当锂 原子进入硅后，会使得硅发生近 400%的巨大形变，这大大缩短了电池的使用寿命， 也影响了电池的安全性。所以本文中我们采用了第一性原理（DFT）和分子动力学（MD）相耦合的 QM/MM 多尺度计算方法模拟了锂原子在 Bulk Si(体硅)中的稳定构 型和分子动力学特性。79124

本文的主要工作：

一、计算模拟锂在硅中的稳定构型，锂在 Bulk Si 中的稳定位置是在 Si 的四面体 晶格的中心位置（Td）处。

二、计算锂在硅中的结合能的大小，并与纯 DFT 计算相比较。 三、计算模拟锂在硅中的运动，整个扩散路径呈锯齿形状（zig-zag），过渡态位置是在四面体晶格的底部六边形原子环的中心位置（Hex）。 四、计算了锂在硅中的扩散势垒，并将它与纯 DFT（第一性原理）计算结果相

比较，证明本文中的多尺度方法具有较高的计算精度和较好的计算收敛性。

毕业论文关键词：锂离子电池；硅；锂的扩散；DFT；多尺度方法

Abstract In recent years,people in order to design the new Lithium ion battery with higher storage and longer service life。however ,the large volume variation up to 400% would happen to Si during alloying and dealloying with Li。 This greatly shortens the battery life, but also affect the safety of the battery。In this thesis, the  QM/MM multi-scale method which can couple the First Principle (DFT) and molecular dynamics (MD) was employed to study the stable configuration and dynamic characteristics of Li in silicon  with or without dislocations。

This major work carried out are:

First ,compute the stable configuration of Li atom in Bulk Si。The most stable position for Li atom to stay in Bulk Si is at the center of tetrahedral lattice。

Second ,compute the binding energy results of Li atom in Bulk Si。In constrast with the results from regular DFT。

Third ,calculate diffusion process of Li atom in Bulk Si。Its diffusion pathway is periodic zig-zag path。the transition state position is located in the center of the hexagon atoms ring which is the one bottom of the tetrahedral lattice。

Fourth,calculate diffusion barrier of Li atom in Bulk Si。 In constrast with the result from regular DFT。 The accuracy and convergence for energy calculation with this multi-scale method are proved。

Keywords:Li ion battery; Si; diffusion of Li; DFT; multi-scale method

目 录

第一章 绪论 1

1。1  引言 1

1。2  本文的研究背景及研究意义 1

1。3  锂离子电池的电极材料 2

1。4  硅基锂离子电池负极材料 5

1。5  主要研究内容 8

第二章 QM/MM 多尺度计算方法 10

2。1  多尺度计算方法 10

2。1。1 不同的空间尺度及对应的计算方法 10

2。2  并发多尺度方法 11

2。2。1  空间尺度耦合方法 11

2。2。2  准连续方法 12

2。2。3 粗粒化分子动力学方法(CGMD)