清洁能源的有效开发利用对人类社会的未来发展意义深远。以锂离子电池为代表的储能电池作为利用清洁能源的关键环节，在手机、数码相机、笔记本电脑等便携式电子产品以及在电动汽车等大型装备中的应用价值有目共睹。
磷酸铁锂（LiFePO4）材料因其具有成本低、无毒无污染、高能量密度、良好的充放电循环性能以及优越的热稳定性等优势，成为锂离子电池最具前景的正极材料之一，目前已投入产业化应用，比如深圳比亚迪电动汽车。磷酸铁锂中载流子的输运性质对于电池效率及充放电性能至关重要，目前虽然采用碳包覆、元素掺杂、调控颗粒尺寸等方法提高其表观载流子迁移率,然而较低的本征电导率及离子迁移率限制了其性能潜力的发挥。通过理论方法研究磷酸铁锂中关键的锂离子扩散过程，从分子水平理解其微观机理不仅有助于发现调控载流子输运性质及电池性能的有效途径，也将启发人们设计开发新型高效正极材料。
陶国华课题组前期采用分子动力学模拟方法研究了含有Li-Fe反位缺陷的磷酸铁锂中的锂离子扩散机制。通过考察不同温度（600-1000K），不同的缺陷浓度范围（~4-25%）以及不同缺陷分布等情况，从分子水平阐释锂离子扩散动力学与微观环境的关联，发现了反位缺陷复合及通道间扩散的有效途径，为设计开发高性能正极材料提供理论依据。相关工作发表在 Journal of Materials Chemistry A 期刊。第一作者为2013级硕士生胡博洋，通讯作者为陶国华副教授。
陶国华副教授近期应用本人开发的非绝热动力学理论新方法-多态轨线方法研究了磷酸铁锂体系中电子耦合锂离子扩散过程。磷酸铁锂体系中电导率与离子迁移率具有强相关性，此前研究表明电荷转移通过一种小极化子机制实现，静态计算结果认为电子与锂离子的强耦合相互作用会导致束缚效应从而降低表观输运性能，而动力学模拟电子耦合锂离子扩散难度极大。多态轨线方法精确有效，稳定性好，非常适合复杂体系的非绝热动力学研究。陶国华副教授采用该方法首次实现了磷酸铁锂体系在原子尺度上实时的非绝热动力学模拟[Tao, J. Phys. Chem. C, 2016, 在线发表]。多态轨线非绝热动力学模拟为电子耦合锂离子扩散过程提供了清晰直观分子图像从而为理解核电耦合量子动力学的微观机制提供有效途径。研究结果表明，强核电耦合相互作用在动力学上甚至有助于锂离子扩散，从而从理论上解释/预测了通过提高材料中电子或者离子的迁移率调控材料整体电化学性能的可能性。
该工作得到北京大学深圳研究生院，深圳市科技创新委，广东省科技厅的资助。
(1) Guohua Tao，Nonequilibrium Electron-Coupled Lithium Ion Diffusion in LiFePO4: Nonadiabatic Dynamics with Multistate Trajectory Approach , The Journal of Physical Chemistry C 2016，ASAP, http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpcc.5b12676
(2) Boyang Hu, and Guohua Tao*, “Molecular Dynamics Simulations on Lithium Diffusion in LiFePO4: the effect of anti-site defects”, Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 20399-20407.
(3) Guohua Tao, “A multi-state trajectory method for non-adiabatic dynamics simulations”, J. Chem. Phys. 2016, 144 (9), 094108. http://dx.doi.org/10.1063/1.4943006
