葉耀坤，胡宗祥，劉佳華，林偉成，陳濤文，鄭家新，潘鋒

北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院，廣東 深圳 518055

1 引言

鋰離子電池具有能量密度高、壽命長(zhǎng)、無記憶效應(yīng)、無污染產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn)，目前已在智能手機(jī)、移動(dòng)電源、筆記本電腦、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用1,2。然而，鋰離子電池的性能仍有待進(jìn)一步改善和提高。例如，特斯拉等品牌電動(dòng)汽車頻繁報(bào)導(dǎo)的自燃事件引發(fā)了人們關(guān)于鋰離子電池安全性的擔(dān)心。隨著電子設(shè)備的日益多樣化和電動(dòng)汽車的日益普及化，人們對(duì)于高性能(如能量密度高、充放電速度快、安全性能好等)鋰離子電池的需求日益增長(zhǎng)。為改善和提高鋰離子電池的電化學(xué)性能，研究學(xué)者分別從正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜等角度入手，開展了大量科學(xué)研究3–5。

正極材料是鋰離子電池最為重要的組成部分，其結(jié)構(gòu)類型多樣，最典型的是以LiCoO2為代表的層狀結(jié)構(gòu)、以LiFePO4為代表的橄欖石結(jié)構(gòu)和以LiMn2O4為代表的尖晶石結(jié)構(gòu)，如圖1所示。盡管它們因自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在商業(yè)化上取得了成功，但都還存在顯著的不足。LiCoO2理論容量高、導(dǎo)電性能好；但由于其在完全脫鋰所需要的高電壓下呈現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，其實(shí)際容量大約只能達(dá)到理論容量的一半6，且鈷價(jià)格昂貴、具有毒性。LiFePO4具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性；但其電子導(dǎo)電性能差，長(zhǎng)期以來人們需要采用碳包覆和納米化等策略來提高其導(dǎo)電性能7–9。LiMn2O4具有價(jià)格低、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)；但它在循環(huán)過程中由于存在高自旋3d4的Mn3+，會(huì)引發(fā)Jahn-Teller畸變，進(jìn)而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相變和容量快速衰減；與此同時(shí)，Mn3+會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)生成Mn2+和Mn4+，導(dǎo)致LiMn2O4容易在充放電過程中溶解到電解液中10–12。

圖1 (a)以LiCoO2為代表的層狀正極材料；(b)以LiFePO4為代表的橄欖石型正極材料；(c)以LiMn2O4為代表的尖晶石型正極材料Fig. 1 (a)Layered cathode materials represented by LiCoO2; (b)Olivine cathode materials represented by LiFePO4;(c)Spinel cathode materials represented by LiMn2O4.

鋰離子電池的充放電速率直接由其倍率性能這一核心參數(shù)反映，它與正極材料的電子導(dǎo)電率有著密切關(guān)系，而電子導(dǎo)電率會(huì)受到正極材料中能量分布和空間分布的影響。如果電子在空間上傾向于局域分布，進(jìn)一步與晶格耦合形成極化子，將會(huì)對(duì)導(dǎo)電性產(chǎn)生不利影響，例如含有極化子的LiFePO4室溫下電子導(dǎo)電率僅有10-9S·cm-1。所以基于人們對(duì)鋰離子電池充放電速率的追求，正極材料中的極化子現(xiàn)象的研究日益受到人們的關(guān)注13–19。研究極化子可分別從實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算兩方面進(jìn)行，但近年來，隨著理論計(jì)算方法的發(fā)展，人們逐漸改變了傳統(tǒng)電池開發(fā)中“Trial and Error”的試錯(cuò)模式，采用實(shí)驗(yàn)和理論研究相結(jié)合的方法進(jìn)行了大量的機(jī)理探索研究，加速了研發(fā)進(jìn)程20,21?；跇O化子在正極材料中的廣泛出現(xiàn)和其對(duì)于電子導(dǎo)電性的重要研究?jī)r(jià)值，本文將主要從理論計(jì)算的角度出發(fā)，首先介紹極化子的基本物理概念，其次對(duì)極化子的理論計(jì)算判別方法、極化子對(duì)常見類型正極材料導(dǎo)電性能的影響與調(diào)控和當(dāng)前研究方法的一些理論難題進(jìn)行綜述，最后分別從基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用兩個(gè)方面展望未來對(duì)于正極材料中極化子的研究。這篇綜述將為研究者從理論計(jì)算角度理解鋰離子電池正極材料中的極化子現(xiàn)象以及未來設(shè)計(jì)高電子導(dǎo)電性正極材料提供重要參考。

2 極化子現(xiàn)象的相關(guān)理論簡(jiǎn)介

理想晶體的主要特征是晶格原子排列具有嚴(yán)格的周期性，但實(shí)際晶體中的原子排列總是會(huì)偏離理想位點(diǎn)，從而破壞晶體的嚴(yán)格周期性，是一種強(qiáng)電聲耦合導(dǎo)致的晶格畸變密切相關(guān)的晶體點(diǎn)缺陷22。由于運(yùn)動(dòng)電子自身的庫倫勢(shì)，運(yùn)動(dòng)電子會(huì)吸引正離子、排斥負(fù)離子，從而產(chǎn)生使周圍晶格極化的相對(duì)位移，形成一個(gè)圍繞該運(yùn)動(dòng)電子的極化場(chǎng)。極化場(chǎng)會(huì)反作用于電子，改變電子的能量和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并束縛該電子，阻止其從這個(gè)區(qū)域逃逸出去，這種束縛作用稱為“自陷(self-trapped)作用”。在自陷作用下，晶格畸變會(huì)伴隨電子運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)相互作用的整體，稱為極化子23。同時(shí)，在晶格伴隨電子的遷移過程中，電子需要拖著附近“笨重”的晶格共同行走，導(dǎo)致載流子的有效質(zhì)量變大，進(jìn)而導(dǎo)致其遷移率變得很低。

極化子可以根據(jù)周圍晶格畸變區(qū)域的大小和晶格常數(shù)的比較分為大極化子和小極化子：當(dāng)畸變區(qū)域比晶格常數(shù)數(shù)量級(jí)大得多時(shí)稱為大極化子，當(dāng)畸變區(qū)域小于晶格常數(shù)數(shù)量級(jí)或與晶格常數(shù)數(shù)量級(jí)相當(dāng)時(shí)，稱為小極化子，如圖2所示24。極化子是具有遷移能力的準(zhǔn)粒子，其動(dòng)力學(xué)模型通常由極化子跳躍(polaron hopping)來描述。Deskins等25詳細(xì)論證了基于Marcus電荷轉(zhuǎn)移理論和Emin-Holstein-Austin-Mott (EHAM)極化子運(yùn)動(dòng)理論的極化子跳躍模型；以TiO2為例，其電荷轉(zhuǎn)移過程可以用圖3形象表示。表126羅列了小極化子和大極化子的對(duì)比差異，基于這些特性，對(duì)于包含我們研究關(guān)心的鋰離子電池正極材料在內(nèi)的過渡金屬氧化物體系，通常認(rèn)為載流子能形成的都是小極化子13，故本文后續(xù)的“極化子”一詞均代指小極化子。簡(jiǎn)言之，極化子是一種晶格畸變束縛電子作整體運(yùn)動(dòng)的晶體缺陷。

圖2 小極化子(左)和大極化子(右)示意圖24Fig. 2 Schematic diagram of small polaron (left)and large polaron (right)24.

圖3 極化子電荷轉(zhuǎn)移示意圖25Fig. 3 Schematic diagram of polaron e- transfer 25.

表1 大極化子和小極化子常見性質(zhì)對(duì)比26Table 1 A comparison of general properties of large polaron and small polaron 26.

3 極化子的判別方法

3.1 理論判別方法

隨著第一性原理計(jì)算方法的發(fā)展，我們可以僅從理論上給出極化子現(xiàn)象是否出現(xiàn)的判據(jù)，從而將其結(jié)果用于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的機(jī)理解釋，或者用于一些實(shí)驗(yàn)未知體系的理論預(yù)測(cè)。

3.1.1 通過能態(tài)密度圖判斷

能態(tài)密度(Density of States，DOS)是固體能帶理論的重要指標(biāo)，它反映了體系電子隨能量的分布。鋰離子電池在工作時(shí)，鋰離子會(huì)在正負(fù)極之間反復(fù)脫嵌，計(jì)算并對(duì)比正極材料不同鋰含量下的DOS圖，可以很好地模擬對(duì)應(yīng)正極材料工作時(shí)的電子結(jié)構(gòu)變化，幫助我們理解其背后的物理化學(xué)過程。根據(jù)極化子定義，晶格畸變形成的極化場(chǎng)會(huì)束縛體系內(nèi)的某個(gè)電子，改變其能量與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，形成一種位于價(jià)帶頂(VBM)和導(dǎo)帶底(CBM)之間的類雜質(zhì)態(tài)(In-gap state)26，對(duì)應(yīng)DOS圖中會(huì)展現(xiàn)一個(gè)類雜質(zhì)態(tài)的特征峰。Zheng等15使用Lany-Zunger方法(Lany-Zunger Approach)27，通過DOS圖中的特征峰，結(jié)合自旋電荷密度圖展示的可視化局域電荷，計(jì)算模擬了Li2FeSiO4材料的脫鋰中間態(tài)LiFeSiO4在微量鋰離子脫嵌時(shí)的電子結(jié)構(gòu)變化，判斷了該體系中存在極化子，如圖4所示。

圖4 通過DOS圖理論判斷Li2FeSiO4極化子15Fig. 4 Theoretical observation of polaron in Li2FeSiO4 using DOS 15.

下面再以LiCoO2和LiFePO4為例簡(jiǎn)要說明如何通過DOS圖中的極化子態(tài)來理解極化子對(duì)鋰離子電池性能的影響。在滿鋰狀態(tài)時(shí)，LiCoO2和LiFePO4都是不導(dǎo)電的半導(dǎo)體，當(dāng)脫去少量鋰后，LiCoO2會(huì)呈現(xiàn)金屬性質(zhì)，而LiFePO4則是會(huì)出現(xiàn)極化子態(tài)。用圖5所示的DOS圖的語言表述，當(dāng)體系為L(zhǎng)i1-xCoO2和Li1-xFePO4時(shí)，Li1-xCoO2會(huì)呈現(xiàn)出能態(tài)穿越費(fèi)米能級(jí)的導(dǎo)體性質(zhì)，而Li1-xFePO4則呈現(xiàn)出帶有極化子態(tài)的半導(dǎo)體性質(zhì)，這就從固體能帶理論的角度解釋了為什么極化子會(huì)減弱體系的電子導(dǎo)電性28。

圖5 極化子態(tài)對(duì)導(dǎo)電性能影響的固體能帶理論解釋示意圖28Fig. 5 Schematic diagram of polaron’s impact on conductivity according to band theory 28.

3.1.2 通過原子磁矩的變化判斷

鋰離子電池正極材料通常含有過渡金屬元素(如Ni、Co、Mn等)，這些過渡金屬元素原子可能含有未配對(duì)的自旋電子，而這些未配對(duì)的自旋電子會(huì)生成屬于該原子的凈磁矩，通過原子與原子之間凈磁矩的排布，材料體系可以進(jìn)一步分為鐵磁性、反鐵磁性和無磁性等。鋰離子電池正極材料正常工作時(shí)會(huì)不斷脫嵌鋰離子，由于體系Li含量的變化，體系要想維持原有的整體電中性，就要有其他原子參與得失電子，根據(jù)不同元素之間的電負(fù)性關(guān)系，此時(shí)電子的得失通常是來自體系含有的過渡金屬，電子的得失對(duì)應(yīng)著過渡金屬原子的變價(jià)行為。當(dāng)體系不存在極化子時(shí)，體系內(nèi)的電荷相對(duì)呈整體分布，體系內(nèi)的過渡金屬原子會(huì)整體均勻變價(jià)；當(dāng)有極化子存在時(shí)，由于體系內(nèi)的某個(gè)電荷會(huì)被晶格畸變束縛，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的局域性，體系內(nèi)的過渡金屬原子整體均勻變價(jià)行為被破壞，會(huì)呈現(xiàn)出局域電子優(yōu)先變價(jià)。電子的得失會(huì)反映在過渡金屬原子的磁矩上，因此我們可以通過磁矩變化來描述體系的變價(jià)行為。當(dāng)極化子現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，會(huì)觀察到某一過渡金屬原子磁矩的單一變化，而不是體系所有過渡金屬原子磁矩的整體變化，這也是判斷極化子現(xiàn)象出現(xiàn)的一個(gè)重要根據(jù)。以LiFePO4單胞體系(共計(jì)28個(gè)原子，其中4個(gè)Li原子、4個(gè)Fe原子、4個(gè)P原子、16個(gè)O原子)為例，在其脫鋰過程中，體系由LiFePO4轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)ixFePO4(x=1, 0.75, 0.5, 0.25, 0)。由于體系Li含量的降低，需要Fe參與得失電子來維持體系的整體電中性。如圖6所示16，當(dāng)LiFePO4單胞的4個(gè)Li依次脫去時(shí)，其Fe的磁矩會(huì)依次獨(dú)立變化，而非整體平均變化，是典型的極化子磁矩變化現(xiàn)象。

圖6 通過原子磁矩變化理論判斷LiFePO4極化子現(xiàn)象16Fig. 6 Theoretical observation of polaron in LiFePO4 according to the change of magnetic moment 16.

在LiO2中電子和空穴會(huì)局域到氧二聚體上形成極化子。在LiO2超胞中人為地引入了一個(gè)電子或空穴(后者對(duì)應(yīng)于體系減少一個(gè)電子)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后有兩種情況出現(xiàn)：一種對(duì)應(yīng)了離域態(tài)的電子或空穴，另一種則是局域態(tài)的極化子。在出現(xiàn)了離域態(tài)電子或空穴的超胞中，對(duì)稱性仍然維持在未增加或減少電子時(shí)的狀態(tài)，所有的氧二聚體同等地分享了超胞中引入的電子或空穴。而在局域態(tài)的情況中，超胞的對(duì)稱性被破壞，其中一個(gè)氧二聚體的磁矩將發(fā)生明顯變化。“氧氣分子”的軌道排布我們已經(jīng)非常熟悉了，其分子的成鍵軌道為6個(gè)電子占據(jù)的和剩余2電子占據(jù)的反鍵軌道為由于兩個(gè)反鍵軌道上有兩個(gè)沒配對(duì)的電子，因而具有2μB的總自旋磁矩。在圖7中我們能看到氧氣分子的電子排布示意圖和自旋密度分布圖。而超氧根離子是反鍵軌道π*又多占據(jù)了一個(gè)電子形成的離子分子。對(duì)比氧氣分子的電子排布，我們可以看到，超氧根離子反鍵軌道π*上多占據(jù)的電子與原來的電子成對(duì)，呈自旋反平行排布，因而超氧根離子具有1μB的總自旋磁矩。從磁矩密度圖上，我們也能看出磁矩密度相對(duì)于氧氣分子減小了?？昭O化子就是超氧根離子失去一個(gè)電子成為離子的反鍵軌道仍可以再占據(jù)一個(gè)電子形成過氧根離子，從圖7中我們可以看到由于電子全部成對(duì)而沒有磁矩密度的過氧根離子，這在LiO2系統(tǒng)中也就是電子極化子29。

圖7 極化子在自旋密度分布圖上的反映29Fig. 7 Theoretical observation of polaron according to spin density 29.

3.1.3 通過結(jié)構(gòu)局域畸變判斷

與磁矩變化類似，出現(xiàn)極化子時(shí)，除被束縛電荷呈現(xiàn)出很強(qiáng)的局域性外，束縛電子的畸變晶格也呈現(xiàn)出畸變的局域性。以理論和實(shí)驗(yàn)都觀測(cè)到極化子的Li2FeSiO4材料為例，當(dāng)體系未脫鋰時(shí)，Si―O四面體的鍵長(zhǎng)相對(duì)均一，O―O鍵長(zhǎng)在2.7 ?(1 ? = 0.1 nm)左右，Si―O鍵長(zhǎng)在1.63 ?左右，當(dāng)體系脫鋰后，極化子出現(xiàn)，鍵長(zhǎng)變化不均勻，出現(xiàn)有一個(gè)O―O鍵變?yōu)?.34 ?而其余O―O鍵變化較小的現(xiàn)象，如圖8所示，因此通常也將這種局域畸變用來作為出現(xiàn)極化子現(xiàn)象的一個(gè)判據(jù)15。Wang等30高通量計(jì)算了層狀材料和尖晶石材料脫鋰前后的體積變化率，發(fā)現(xiàn)含有極化子的LiMnO2體系的體積變化率(3.78%)和LiMn2O4體系的體積變化率(5.67%)均處在同等材料的中部區(qū)間(層狀材料體積變化率區(qū)間為0.04%–13.1%，尖晶石材料為0.41%–13.27%)。此外，LiFePO4同時(shí)存在著良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和顯著的極化子現(xiàn)象，即使考慮到磷酸根基團(tuán)對(duì)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，也很難忽視其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和極化子現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)。盡管尚未定論，但相較于沒有極化子時(shí)的整體畸變，極化子引起的局域畸變?cè)诶碚撋显斐傻捏w積變化會(huì)相對(duì)有所減弱，從而在一定程度上增強(qiáng)了體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖8 極化子引發(fā)的局部畸變示意圖15Fig. 8 Schematic diagram of local distortion induced by polaron 15.

在LiO2體系中，極化子對(duì)晶格的影響直接表現(xiàn)為O―O鍵長(zhǎng)的變化。在引入電子的情況中，一個(gè)離子變?yōu)?，其O―O鍵長(zhǎng)從原來的1.30 ?增加到1.44 ?。而在引入空穴的情況中，一個(gè)離子變?yōu)椋銸―O鍵長(zhǎng)減少到1.19 ?。這從之前的LiO2中O原子的態(tài)密度可以知道，中最高的被占據(jù)軌道是反鍵軌道π*。增加一個(gè)電子時(shí)，該電子會(huì)進(jìn)入到π*軌道上，從而導(dǎo)致O―O鍵的強(qiáng)度被削弱，因此出現(xiàn)了O―O鍵長(zhǎng)明顯增加的現(xiàn)象。而引入一個(gè)空穴時(shí)，該空穴也同樣位于π*軌道上。反鍵軌道上電子的減少使得O―O的鍵強(qiáng)度被加強(qiáng)，因而表現(xiàn)為O―O鍵長(zhǎng)明顯變短，如圖9所示29。

圖9 極化子現(xiàn)象引發(fā)的鍵長(zhǎng)變化示意圖29Fig. 9 Change of bond length induced by polaron 29.

盡管以上列舉的這些條件都是判斷極化子的重要論據(jù)，結(jié)合這些判據(jù)是當(dāng)前判斷極化子較為準(zhǔn)確的方法，但遺憾的是，目前我們的確尚未發(fā)現(xiàn)有一條普適的充分必要條件能用來判斷說明極化子的存在。以局部畸變?yōu)槔?，雖然極化子的出現(xiàn)會(huì)伴隨著局部畸變的產(chǎn)生，但僅從局部畸變出發(fā)顯然無法得出體系含有極化子這一結(jié)論，一個(gè)典型的例子就是Jahn-Teller效應(yīng)。八面體配位場(chǎng)的過渡金屬原子3d軌道會(huì)劈裂為二重簡(jiǎn)并的eg軌道和三重簡(jiǎn)并的t2g軌道，如果此時(shí)eg軌道上有未成對(duì)的單電子，則體系會(huì)進(jìn)一步退簡(jiǎn)并，在退簡(jiǎn)并過程中降低體系能量，誘發(fā)Jahn-Teller畸變，從而使得體系能夠穩(wěn)定下來。Jahn-Teller效應(yīng)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)效應(yīng)。對(duì)于靜態(tài)Jahn-Teller效應(yīng)，結(jié)構(gòu)變形會(huì)降低系統(tǒng)的對(duì)稱性并消除能級(jí)的簡(jiǎn)并。對(duì)于部分填充的能級(jí)，這種結(jié)構(gòu)變形因此會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)總能量的降低，因?yàn)槎嘀睾?jiǎn)并的低能態(tài)被占據(jù)而高能態(tài)仍然是空的，能級(jí)會(huì)發(fā)生重排消除這種不穩(wěn)定的簡(jiǎn)并狀態(tài)，當(dāng)體系有不止一種可能導(dǎo)致對(duì)稱性降低的形變時(shí)將發(fā)生動(dòng)態(tài)Jahn-Teller效應(yīng)。在Zuo等31最近的工作中，他們發(fā)現(xiàn)普通尖晶石錳酸鋰中的過渡金屬錳離子有一半為三價(jià)陽離子，具有Jahn-Teller效應(yīng)活性，其錳離子eg軌道如圖10a左圖所示：eg兩個(gè)軌道一個(gè)被占據(jù)，一個(gè)沒有被占據(jù)，能級(jí)發(fā)生劈裂。而引入陽離子無序性(Mn位上過量的Li和Li/Mn交換)可以固有地抑制MnO6八面體的協(xié)同Jahn-Teller畸變(CJTD)并抑制Mn3+歧化。圖10a右圖為引入無序消除JT效應(yīng)后，三價(jià)錳離子的eg軌道的分布。陽離子無序可破壞Mn3+排列的對(duì)稱性，從而破壞由各個(gè)Jahn-Teller中心引起的畸變的相關(guān)性，并防止Mn―O鍵沿同一個(gè)方向扭曲，形成局部畸變，結(jié)構(gòu)變化如圖10b所示。但這樣的局部畸變對(duì)應(yīng)的不是極化子現(xiàn)象，因此對(duì)極化子不能僅根據(jù)某一判據(jù)單一判斷，而是需要根據(jù)以上判據(jù)進(jìn)行綜合判斷。當(dāng)然，正如Reticcioli等26建議的那樣，極化子的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比仍然是非常有必要的(“Ultimately, comparison with the experiment,however, remains necessary and mandatory”)。我們下面將簡(jiǎn)要介紹極化子的實(shí)驗(yàn)判別方法。

2) 三級(jí)數(shù)量彈性契約的供應(yīng)鏈在價(jià)格隨機(jī)或是價(jià)格穩(wěn)定的突發(fā)事件下顯現(xiàn)出來的規(guī)律性質(zhì)大體相同.它們的主要區(qū)別是：價(jià)格隨機(jī)情景下批發(fā)價(jià)調(diào)整的幅度、供應(yīng)鏈上企業(yè)的期望收益變化的比率，要比價(jià)格穩(wěn)定的情況要大一些.由此可見，價(jià)格隨機(jī)的突發(fā)事件對(duì)供應(yīng)鏈系統(tǒng)的影響較大，企業(yè)需要采取定特定的手段以消除突發(fā)事件的影響.

圖10 尖晶石錳酸鋰中的Jahn-Teller效應(yīng)31Fig. 10 Jahn-Teller effect in the spinel LiMn2O4 31.

3.2 實(shí)驗(yàn)判別方法

理論計(jì)算預(yù)測(cè)了極化子在材料體系中的存在，可以通過實(shí)驗(yàn)手段來加以驗(yàn)證。X射線吸收光譜(XAS)，X射線發(fā)射光譜(XES)，共振非彈性X射線散射(RIXS)和X射線光電子能譜(XPS)等檢測(cè)技術(shù)都是實(shí)驗(yàn)用來表征材料電子結(jié)構(gòu)、能帶信息的常用手段。但是，材料樣本中已經(jīng)具有明顯扭曲的局部環(huán)境，因此小極化子(弱的局部畸變)及其光譜指紋非常容易受到core-hole效應(yīng)的影響，這使得它很難可以通過XAS或非諧振XES進(jìn)行簡(jiǎn)單檢測(cè)。由于core-hole效應(yīng)在X射線光電子能譜較小，因此極化子的半經(jīng)驗(yàn)信號(hào)可以通過XPS的手段來得到驗(yàn)證。此外，掃描隧道顯微鏡與光譜學(xué)(Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy)32、紅外吸收光譜(Infrared Spectroscopy)33和電子順磁共振(Electron Paramagnetic Resonance)等34也是實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)極化子的重要手段。在最新的研究中，Guo等35使用脈沖激光結(jié)合的掃描隧道顯微鏡與光譜學(xué)技術(shù)(Pulsed-Laser-combined Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy)，成功在光催化材料金紅石相TiO2的(110)面發(fā)現(xiàn)極化子，如圖11所示。

圖11 Laser-combined STM探測(cè)極化子態(tài)35Fig. 11 Polaron state observed by Laser-combined STM 35.

4 極化子在常見類型正極材料中的研究與調(diào)控

極化子現(xiàn)象在鋰離子電池正極材料的研究中已引起越來越多的關(guān)注，本節(jié)對(duì)層狀、橄欖石和尖晶石三種常見正極材料中的極化子的研究與調(diào)控進(jìn)行綜述。

4.1 層狀(Layered)材料

隨著LiCoO2最早的商業(yè)化成功，層狀材料一直以來是備受關(guān)注的正極材料類型。在LiCoO2早期研究中，Marianetti等36發(fā)現(xiàn)LiCoO2在脫鋰過程中極易發(fā)生莫特相變，其半導(dǎo)體性質(zhì)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體性質(zhì)，這能很好解釋LiCoO2良好的導(dǎo)電性。他們認(rèn)為像LiCoO2這樣的層狀材料中電聲耦合作用較弱，不易形成極化子，這一猜想被后續(xù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。Dahéron等37制備并觀測(cè)了從LiCoO2到CoO2的脫鋰過程，通過X射線光電子能譜的實(shí)驗(yàn)手段得到了LiCoO2脫鋰過程中存在強(qiáng)烈的電子離域態(tài)這一重要結(jié)論，與需要局域化電子才能形成的極化子形成鮮明反差，從理論上排除了LiCoO2中存在極化子的可能性。然而，盡管有著相似的結(jié)構(gòu)，不同層狀材料之間的電子導(dǎo)電性卻有著顯著差異。室溫條件下，LiCoO2和LiNiO2的電子導(dǎo)電率分別為10-3到10-2S·cm-1和10-1到100S·cm-1量級(jí) ， 而LiMnO2卻只有10-5到10-3S·cm-1，Li2MnO3甚至只有10-9S·cm-1量級(jí)38，Kong等14通過理論計(jì)算在層狀LiMnO2和Li2MnO3中確認(rèn)了極化子的存在，解釋了這一電子導(dǎo)電率的差異，再次論證了極化子對(duì)于正極材料導(dǎo)電性能的極大影響。他們嘗試了Mg、Ti、V等10種陽離子和N、F兩種陰離子摻雜，將LiMnO2和Li2MnO3的導(dǎo)電性能分別提升了106和2 × 104量級(jí)。Feng等19在實(shí)驗(yàn)上合成了層狀三元組分材料LiNi0.4+xMn0.4-xCo0.2O2(x= 0, 0.1, 0.2, 0.3)，并發(fā)現(xiàn)在升溫(293.15–573.15 K)和Ni組分提高時(shí)體系的電子導(dǎo)電率都有著顯著提升，如圖12所示。他們指出電子導(dǎo)電率升高的原因是體系內(nèi)的極化子得到了離域化，揭示了極化子與正極材料導(dǎo)電性能之間的關(guān)系。

圖12 LiNi0.4+xMn0.4-xCo0.2O2的電子導(dǎo)電率變化圖19Fig. 12 Changes of electronic conductivity of LiNi0.4+xMn0.4-xCo0.2O2 19.

4.2 橄欖石(Olivine)型材料

橄欖石型正極材料也被稱為聚陰離子型正極材料，這類材料的優(yōu)點(diǎn)是地球儲(chǔ)量豐富、環(huán)境友好、成本便宜且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全性能好，自Goodenough和Padhi等人最早提出將LiFePO4用于做鋰離子電池的正極材料以來，橄欖石型材料被廣泛關(guān)注與研究39。LiFePO4有著導(dǎo)電性差的嚴(yán)重缺點(diǎn)，其帶隙寬度大約在3.7 eV附近，室溫下的電子導(dǎo)電率僅有10-9S·cm-1量級(jí)40。盡管人們可以通過碳包覆和減小粒徑等途徑提高其導(dǎo)電率，但這些方法未觸及到其本質(zhì)問題?；谠擃愋筒牧系闹T多優(yōu)點(diǎn)，理解其電子結(jié)構(gòu)對(duì)鋰離子電池的實(shí)際應(yīng)用具有非常重要的作用。如圖13所示，Ouyang等41計(jì)算了LiFePO4中Li的遷移，他們通過分析對(duì)比不同的遷移路徑，指出只有當(dāng)鋰離子沿c軸擴(kuò)散時(shí)其能壘才會(huì)很低(0.6 eV)，從理論上揭示了LiFePO4中鋰離子呈一維通道擴(kuò)散，并通過第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬觀測(cè)到了一維擴(kuò)散這一行為。Ceder等13提出，當(dāng)LiFePO4中存在過多的電荷載流子時(shí)，其環(huán)境中的原子被極化并移位，從而產(chǎn)生局部晶格畸變。載流子通過局限在這種晶格變形中而降低了能量并變得自陷，通過第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)LiFePO4中的導(dǎo)電機(jī)理是極化子跳躍，其極化子的遷移能壘約為200 meV。隨后關(guān)于LiMPO4(M = Fe, Mn, Co, Ni)的極化子研究的理論和實(shí)驗(yàn)工作被相繼報(bào)導(dǎo)18,42，Gu等16在此基礎(chǔ)上使用HSE雜化泛函的理論計(jì)算結(jié)果表明，如果在Li位點(diǎn)直接替換同主族元素Na，由于其不能改變脫鋰過程中Fe的極化子行為，對(duì)電子導(dǎo)電率并沒有顯著提升；在Fe位點(diǎn)摻雜Mn和Co仍有極化子出現(xiàn)，但Fe位置摻雜Ni會(huì)發(fā)現(xiàn)極化子行為接近消失，導(dǎo)致這一差異的原因可能是Ni―O鍵具有更強(qiáng)的共價(jià)性質(zhì)。為提高橄欖石型正極材料的導(dǎo)電性能，Chung等43在實(shí)驗(yàn)上使用Mg、Al、Ti等異價(jià)離子摻雜可以將其電子導(dǎo)電率提升108量級(jí)。Li等40在理論計(jì)算的先行指導(dǎo)下，在實(shí)驗(yàn)上制備了使用Cr摻雜的Li0.97Cr0.01FePO4和Li0.91Cr0.03FePO4，它們的電子導(dǎo)電率在室溫下與純LiFePO4相比有明顯提升。

圖13 LiFePO4沿a軸和c軸擴(kuò)散能壘對(duì)比圖41Fig. 13 A comparison of the energy barriers along a andc directions in LiFePO4 41.

4.3 尖晶石(Spinel)型材料

1983年，Goodenough提出可以將尖晶石錳酸鋰(LiMn2O4)作為正極材料，LiMn2O4具有價(jià)格低、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，至今仍受到學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注44。與LiFePO4材料不同的是，人們?cè)谠缙谘芯恐芯驼J(rèn)識(shí)到了LiMn2O4中存在極化子躍遷45–47，其電子導(dǎo)電率大約在10-6S·cm-138。Ouyang等48詳細(xì)計(jì)算了λ-MnO2、Li0.5Mn2O4和LiMn2O4的極化子遷移能壘，總結(jié)出其遷移能壘的大小與Mn的3dz2軌道受Jahn-Teller畸變后的能級(jí)偏移程度有著密切聯(lián)系。Rojo等49,50通過嘗試摻雜Co、Ni等元素，從實(shí)驗(yàn)上提升了LiMn2O4的電子導(dǎo)電率。

綜上，極化子現(xiàn)象對(duì)正極材料最為重要的影響是嚴(yán)重降低了其導(dǎo)電性能，從而極大限制了正極材料的應(yīng)用。因此，通過調(diào)控極化子來提高正極材料的電子導(dǎo)電率，成為了設(shè)計(jì)高導(dǎo)電性正極材料的一個(gè)重要途徑。當(dāng)前極化子的調(diào)控策略，主要還是以摻雜為主，合理的摻雜手段可以減弱極化子的影響，顯著提高材料的電子導(dǎo)電率。

5 理論計(jì)算的研究困難及其改進(jìn)方法

盡管理論計(jì)算方法在研究極化子方面已經(jīng)取得了很大成功，然而傳統(tǒng)理論方法在研究極化子時(shí)會(huì)面臨一些由于方法自身缺點(diǎn)所導(dǎo)致的困難，本節(jié)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并說明針對(duì)這些困難采用的改進(jìn)方案。

5.1 局域最小值(Local Minimum)問題

局域最小值問題包含兩類情況，分別是原子結(jié)構(gòu)弛豫優(yōu)化的局域最小值問題和原子磁矩的局域最小值問題。我們?cè)谶M(jìn)行理論計(jì)算研究時(shí)，最為重要的步驟之一是需要找到研究體系的基態(tài)(能量最低、熱力學(xué)最穩(wěn)定的狀態(tài))，從而保障后續(xù)計(jì)算結(jié)果的可靠性，這對(duì)于極化子這類原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)都有著高精度要求的研究來說尤為重要，但局域最小值問題的存在嚴(yán)重妨礙了體系基態(tài)的尋找。與局域最小值這一概念相對(duì)應(yīng)的是全局最小值(Global Minimum)，理論上說，我們期望找到的基態(tài)應(yīng)該是研究體系所有可能狀態(tài)的全局最小值(如圖14中的b點(diǎn))。然而，全局最小值的尋找問題在當(dāng)前計(jì)算機(jī)算法領(lǐng)域都仍是一個(gè)有待解決的前沿研究問題；即使全局最小值可以實(shí)現(xiàn)，它的計(jì)算量對(duì)于計(jì)算資源的需求也會(huì)急劇增長(zhǎng)，可能會(huì)大幅增加理論計(jì)算的負(fù)擔(dān)?；诖耍覀?cè)谘芯繕O化子現(xiàn)象時(shí)，需要正視局域最小值問題，通過盡可能多地嘗試原子結(jié)構(gòu)排布和原子磁矩排布，并從得到的一系列“局域最小值”結(jié)果中篩選出一個(gè)能量最低的、最有可能的排布，使得我們得到的局域最小值結(jié)果盡可能地近似于全局最小值結(jié)果，將誤差控制在現(xiàn)有理論計(jì)算方法的可接受范圍內(nèi)，是當(dāng)前理論計(jì)算研究中，在計(jì)算資源消耗處于較為接受的情況下，最具可行性的操作方案。

圖14 局域最小值和全局最小值示意圖Fig. 14 Schematic diagram of local minimum and global minimum.

用圖14來描述，如果我們不對(duì)排布進(jìn)行盡可能多的嘗試，那么我們可能僅得到局域最小值的f點(diǎn)，從而得出了錯(cuò)誤的結(jié)論(因?yàn)檎嬲淖钚≈迭c(diǎn)是b點(diǎn))；而當(dāng)我們嘗試盡量多的排布時(shí)，我們可能會(huì)得到包含b點(diǎn)和f點(diǎn)在內(nèi)的系列最小值點(diǎn)，通過這些最小值點(diǎn)之間的比較從而得出正確的結(jié)果。此外，通過給予位于初始平衡位置的原子一個(gè)偏離平衡位置的初始位移(Initial Kick)，從而可以減少遇到原子位于鞍點(diǎn)而滑落到呈現(xiàn)局域最小值的亞穩(wěn)態(tài)的概率，也是在極化子計(jì)算中常用的研究方法14,26。以空穴極化子為例，二氧化鈦51、過氧化物52和鋰硫53等材料中的價(jià)帶空穴往往會(huì)被困在帶負(fù)電荷的受體缺陷上，形成空穴極化子。BiVO454、LiFePO455等含過渡金屬的材料，由于過渡金屬與配位的氧離子會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的共價(jià)作用，空穴極化子也會(huì)局域在陰離子氧上。這類體系在實(shí)際計(jì)算操作中通過從晶格體系中移除電子和完全弛豫晶格來形成空穴極化子，體系的電中性通過補(bǔ)償背景電荷來保持。對(duì)于這樣的體系，必須應(yīng)用“Initial Kick”來誘導(dǎo)極化子的形成，如果沒有“Initial Kick”，超胞會(huì)被弛豫到一個(gè)局部極小值，而空穴也會(huì)在整個(gè)晶體離域，不會(huì)形成極化子52。通過“Initial Kick”，無極化子的超胞會(huì)比有極化子的超胞能量更高，這充分說明了極化子研究中廣泛存在局域最小值問題，以及“Initial Kick”等初始擾動(dòng)方法的重要性。

5.2 過渡金屬強(qiáng)關(guān)聯(lián)相互作用(Strong Correlation)和帶隙值修正問題

當(dāng)研究體系含有過渡金屬時(shí)，會(huì)有所謂的“強(qiáng)關(guān)聯(lián)相互作用”，鋰離子電池正極材料中的過渡金屬與周圍氧原子間就被認(rèn)為存在這樣的強(qiáng)關(guān)聯(lián)相互作用，而傳統(tǒng)DFT方法通常被認(rèn)為不能準(zhǔn)確描述這樣的強(qiáng)關(guān)聯(lián)相互作用，其泛函描述的電子過于離域，研究極化子可能會(huì)有嚴(yán)重誤差55,56。為修正該誤差，通常需要外加一個(gè)被稱為HubbardU的參數(shù)，通常稱這樣的方法為DFT+U方法。鋰離子電池正極材料所含過渡金屬元素的常用U值如表2所示57。

表2 鋰離子電池正極材料所含過渡金屬元素的常用U值57Table 2 Commonly used U values of transition metals in cathode materials of LIBs 57.

上文提到，根據(jù)固體能帶理論，我們可以通過一個(gè)體系帶隙值的大小將其分為絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體，我們關(guān)心的極化子態(tài)也需要相對(duì)準(zhǔn)確的帶隙值，因此，我們通過理論計(jì)算方法得到的帶隙值是否準(zhǔn)確就顯得十分重要。遺憾的是，傳統(tǒng)DFT方法會(huì)嚴(yán)重低估帶隙值。當(dāng)體系含有過渡金屬氧化物時(shí)，上文提到的DFT+U方法可以在一定程度上修正帶隙值，但修正后的結(jié)果通常仍會(huì)低于實(shí)驗(yàn)值。因此，研究學(xué)者希望可以找到一些方法，來使得理論計(jì)算得到的帶隙值與實(shí)際實(shí)驗(yàn)得到的帶隙值盡可能接近。通過研究發(fā)現(xiàn)，目前學(xué)界認(rèn)為DFT計(jì)算會(huì)低估帶隙值的原因是由于傳統(tǒng)DFT方法選用的交換關(guān)聯(lián)泛函項(xiàng)會(huì)在一定程度上使得原本應(yīng)該局域的電荷被計(jì)算得相對(duì)離域，從而無法準(zhǔn)確刻畫電荷在空間的分布。由于DFT計(jì)算的電荷比真實(shí)情況更加離域，其波函數(shù)在空間內(nèi)的重疊部分會(huì)增多，進(jìn)而導(dǎo)致電荷之間的能量差變小，因此會(huì)在計(jì)算中得到比真實(shí)值更小的帶隙，這對(duì)于極化子的研究是不利的。與DFT恰好相反地是，傳統(tǒng)量子化學(xué)的從頭算Hatree-Fock方法通常會(huì)使得電荷的計(jì)算結(jié)果比實(shí)際更加局域，可以形象地用圖15表示。因此，加拿大蒙特利爾大學(xué)Matthias Ernzerhof教授課題組提出了一種將Hatree-Fock方法和DFT方法混合使用的雜化密度泛函方法(Hybrid Density Functional)，即在計(jì)算時(shí)，交換關(guān)聯(lián)泛函項(xiàng)混用25% (α= 0.25)的Hatree-Fock計(jì)算項(xiàng)和75% (1 –α= 0.75)的DFT計(jì)算項(xiàng)。這種泛函簡(jiǎn)稱為HSE泛函，通過調(diào)整混合參數(shù)α，能很好地修正帶隙值58。HSE泛函通常被認(rèn)為是當(dāng)前第一性原理計(jì)算可行方案中精準(zhǔn)度最高的泛函，但它對(duì)計(jì)算資源消耗很大，通常需要相對(duì)較多的計(jì)算時(shí)間，是一種比較昂貴的泛函。Johannes等55在研究LiMPO4(M = Fe, Mn, Co, Ni)時(shí)論述了HSE和DFT+U兩種計(jì)算方法的對(duì)比。他們指出，兩種方法都能對(duì)傳統(tǒng)DFT進(jìn)行修正，但會(huì)對(duì)電子結(jié)構(gòu)造成截然不同的影響。由于DFT+U僅修正了有“強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用”相關(guān)的能帶(在他們的研究體系中，特指過渡金屬的d電子軌道)，而其他能帶不受影響，這就導(dǎo)致了被電子占據(jù)的d軌道會(huì)在能量上更加接近O的p軌道，這一能量差異的減小會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致原本由過渡金屬原子d軌道主導(dǎo)的價(jià)帶頂行為受到O的p軌道雜化影響。如果隨著O的p軌道雜化量逐漸增大，可能會(huì)得出與實(shí)際物理過程不符的結(jié)論，而HSE的修正由于不僅僅針對(duì)“強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用”相關(guān)的能帶，則不存在這一問題。他們選擇了結(jié)合能這一表征電子結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)作為驗(yàn)證，將HSE和DFT+U關(guān)于結(jié)合能的計(jì)算數(shù)據(jù)與X射線光電子能譜(XPS)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)HSE取得的結(jié)合能計(jì)算結(jié)果在峰型和峰位上與XPS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)幾乎完美匹配，而DFT+U的結(jié)果則有著較大的差異，驗(yàn)證了他們的理論解釋，如圖16所示。此外，不同體系的U值選擇有時(shí)候也會(huì)是一個(gè)麻煩的問題，無需根據(jù)不同體系選取不同U值也是HSE雜化泛函的優(yōu)勢(shì)之一。因此，盡管在極化子的研究中有著大量DFT+U的計(jì)算工作，但由于極化子對(duì)電子結(jié)構(gòu)的精度要求很高，為盡可能避免由于計(jì)算精度引起的錯(cuò)誤結(jié)果，我們目前通常是推薦采用HSE雜化泛函來研究極化子。

圖15 DFT計(jì)算方法與Hatree-Fock計(jì)算方法對(duì)于電荷計(jì)算差異示意圖Fig. 15 Schematic diagram of difference between DFT method and Hatree-Fock method for charge calculation.

圖16 HSE和DFT+U兩種計(jì)算方法與XPS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)于結(jié)合能的對(duì)比55Fig. 16 The binding energy calculated by HSE and DFT+U compared with experimental XPS data 55.

此外，還有很多別的方法可以修正帶隙值，如Lany-Zunger方法(Lany-Zunger Approach)27、Wannier-Koopmans方 法 (Wannier-Koopmans Method)59、SCAN泛函等60，這些方法都能很好地修正帶隙值，從而為研究極化子提供更為精細(xì)的計(jì)算保障。

6 總結(jié)與展望

極化子現(xiàn)象目前在正極材料的研究中已引起廣泛關(guān)注，本文從極化子的理論計(jì)算判別方法、極化子對(duì)常見類型正極材料導(dǎo)電性能的影響、極化子調(diào)控策略和當(dāng)前研究方法的一些理論難題對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了綜述?？傮w而言，極化子會(huì)減弱體系的電子導(dǎo)電性，是磷酸鐵鋰等正極材料導(dǎo)電性能差的根本原因；但它又可能在一定程度上增強(qiáng)體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，像一把“雙刃劍”。

提高正極材料的導(dǎo)電性能是鋰離子電池進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素，為設(shè)計(jì)性能更加優(yōu)越的正極材料，結(jié)合對(duì)極化子現(xiàn)象研究現(xiàn)狀的分析，在未來圍繞以下兩個(gè)方面展開系統(tǒng)性研究很有必要：首先，從基礎(chǔ)研究的角度看，目前人們對(duì)于極化子現(xiàn)象的形成機(jī)理仍未有清晰的認(rèn)識(shí)。根據(jù)其“自陷作用”理論，很多材料都有運(yùn)動(dòng)電子和正負(fù)離子，但并不是所有材料都能形成極化子，其“自陷作用”的條件或程度的界定仍有待研究；搞清楚極化子的形成是否有可定量描述的物理化學(xué)規(guī)律、是否存在判斷極化子普適的充分必要條件，以及極化子與其它已知的物理化學(xué)現(xiàn)象(如Jahn-Teller畸變、Ni/Li反位、電聲耦合作用等)之間是否存在相互作用關(guān)系等問題，能幫助我們更加深刻地認(rèn)識(shí)極化子，進(jìn)而開拓基礎(chǔ)學(xué)科的認(rèn)知邊界。其次，從應(yīng)用角度看，正極材料哪些體系會(huì)出現(xiàn)/不出現(xiàn)極化子、為什么會(huì)出現(xiàn)/不出現(xiàn)極化子、極化子能否人為精細(xì)調(diào)控、如何在極化子對(duì)于材料導(dǎo)電性的降低和穩(wěn)定性的提升之間實(shí)現(xiàn)平衡等問題，都是會(huì)對(duì)鋰離子電池正極材料的應(yīng)用產(chǎn)生重要影響的關(guān)鍵性研究問題。