鋰嵌入石墨之多尺度原子模擬

Abstract

隨著科技發展日新月異，人們生活往往離不開電子產品，而電子產品的運作時間往往受到電池能量供應影響，鋰離子電池在能量密度上有很大的優勢，且具有輕量化及長時間使用的特點。石墨經常被用於鋰離子電池之負極材料，了解鋰於其中的嵌入及排序對於提升電池性能是非常關鍵的。 本研究旨在以分子模擬方法去建立一組能夠使用在鋰嵌入石墨系統的勢能並驗證。先利用密度泛函理論(DFT) 第一原理對幾組雙層間不同距離的石墨進行計算以作為訓練集，並擬合出模擬層與層之間弱作用的勢能曲線。接著再利用第一原理計算對若干組不同情況下的鋰在石墨間的嵌入情形進行分子動力學模擬，以此結果作為訓練集並與先前雙層石墨間吸附的勢能模型做結合，利用機器學習的方法訓練出鋰嵌入在石墨間的勢能模型並進行驗證。最後將訓練出的勢能模型利用在蒙地卡羅方法中，對更大尺度下材料下鋰於石墨中的吸附過程與平衡時吸附的位置和形貌進行模擬。透過蒙地卡羅方法所得到的結果，發現鋰在石墨中排列的分子結構不只有LiC_6，LiC_2結構的出現意味著鋰更緊密的排列，所對應的石墨理論電容量也從372 mAh/g 提升到1000 mAh/g 以上。