田 昱，许曼佳，张旭东，邓俊楷，李世文，王莹澈

(1.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 7100652；2.西安交通大学，陕西 西安 710049；3.机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065)

0 引言

锂离子电池是以锂离子的嵌入化合物为正负极的二次电池，是一种浓差电池。锂离子电池由于具有高开路电压、高能量密度、高安全性、高循环寿命、小记忆效应和低自放电等优点，越来越多地被应用于便携式电子产品、电动工具、车用电源和备用电源系统等方面[1-8]。锂离子电池由负极、隔膜、正极和电解液组成。为了提高锂离子电池的能量密度，Si(硅)负极材料由于其极高的理论比容量(4 200 mAh·g-1)比目前使用最广泛的石墨负极的理论比容量(372 mAh·g-1)高一个数量级而引起广泛关注，成为近年来的研究重点[9-12]。此外，用Si作负极的锂离子电池还具有放电电势低(约 0.4 V vs Li/Li+)、原料天然丰度高和环境友好等优点[13-15]。

Si负极材料充Li(锂)是一个重要且复杂的过程。一般认为，Si负极材料充Li时会发生较大的体积变化，这是Si负极在长期充放电过程失效的主要原因[12，16-17]。目前，已有学者利用第一性原理方法对Si负极材料充Li时产生中间相的过程进行了模拟计算，发现产生的Si-Li合金中间相物理性能发生显著改变[18-19]。然而，目前的研究对于Si负极材料充Li过程产生的中间相如何引起其失效，依然缺少微观结构、性能与宏观现象上的关联。本文针对此问题，提出了锂离子电池Si负极材料充Li过程的跨尺度模拟方法。

1 跨尺度模拟方法

首先基于密度泛函理论的第一性原理计算，建立了Si负极的原子模型，对充放Li离子的Si负极材料物理性能进行了理论计算，从微观尺度探究Si负极充放电过程中原子结构、相稳定性及物理性质的变化。……