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正极材料是影响二次离子电池寿命、充放电速度和续航能力等关键性能的短板,在充放电过程中其结构变化是导致电池容量和倍率性能退化的主要因素。本文结合实验研究结果,以镍基层状正极材料为研究对象,利用第一性原理计算方法。针对锂离子电池（LIB）和钠离子电池（NIB）镍基正极材料中过渡金属（TM）扩散、P2-O2相变和掺杂等问题,探讨结构稳定性对充放电过程中Li/Na离子扩散的影响。揭示正极材料在充放电过程中的结构演变规律和性能退化机制,为高性能正极材料的研发提供理论指导。本文主要研究内容如下:在LIB中,实验发现LiNixMnyCozO2三元正极材料中TM的偏析导致其表面发生相变,是其性能退化的主要原因。我们通过LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2（NMC333）正极材料中TM的扩散方式及能垒的研究,揭示了正极材料的结构演变机制以及由此导致的Li离子扩散问题。发现正极材料NMC333的TM扩散机制存在差异,其内部TM通过和Li形成阳离子无序的机制扩散,而近表面TM是通过空位机制扩散。通过对不同方向上扩散势垒的计算,发现TM先扩散进入Li层,然后在Li层中扩散并产生偏析,其中Ni比Co和Mn离子更容易扩散。这些偏析的形成造成局部相变,阻挡了Li离子的扩散通道。在NIB中,镍基层状正极材料NaxTMO2中P2相提供了较宽的Na离子扩散通道,在充放电过程中,实验发现P2-O2相变是导致电化学性能衰退的主要原因。我们选择NaxNi O2富镍正极材料中P2-O2的相变以及Na离子的扩散问题进行研究。通过形成能的计算,发现NaxNi O2结构演变与Na离子浓度有关,P2-O2的相变发生在0.16
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结构可靠性定义为结构在规定时间内和规定条件下,完成规定任务的可能性。由此可见时间是影响结构可靠性的一个重要因素。实际工程中,结构因腐蚀、磨损或老化等因素,会出现性能随时间延长而衰减情况。此外,结构往往承受随时间变化的随机动载荷。这两个因素使得结构的响应随时间的变化而变化,结构的可靠度随时间的延长而降低。然而传统的静态可靠性分析忽略了时间这一重要因素,导致模型过于简化,所计算得到的静态可靠度过于乐观
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