基于材料基因工程的锂离子电池材料数据生成及数据挖掘平台_肖建

第39卷第1期2015年1月江西师范大学学报（自然科学版）

JournalofJiangxiNormalUniversity（NaturalScience）Vol．39No．1

Jan．2015

5862（2015）01-0073-06文章编号：1000-

基于材料基因工程的锂离子电池材料数据生成及数据挖掘平台

1

汪肖建茂，

12*

浩，欧阳楚英

（1．江西师范大学软件学院，江西南昌330022；2．江西师范大学物理与通信电子学院，江西南昌330022）

摘要：利用材料基因工程方法探索锂离子电池新材料是目前国际上重要的技术手段．通过高通量计算手

段计算生成大量锂离子电池材料的基本物理化学性质数据，利用数据挖掘技术，总结材料物理化学性质与材料的组分、组织结构等的构效关系，进而探索发现新型锂离子电池材料和改性现有材料．利用材料基因工程基本思想，设计了利用无机材料晶体结构数据库中的结构数据为源数据，通过基于Web服务器来产生第一性原理计算软件VASP的输入文件信息，并通过Web网传输到并行计算中心实现材料性能计算，生成的材料性质数据再返回到Web服务器．通过对材料结构和性质数据进行挖掘，总结锂离子电池材料的构效关系，为锂离子电池材料设计提供技术支持．

关键词：材料基因工程；锂离子电池材料；数据计算；数据挖掘中图分类号：TP311；TB383

5862．2015．01．14文献标志码：ADOI：10．16357/j．cnki．issn1000-

“以2次电池为重点的能量储存和转换材料”进行

0引言

“材料基因工程”方法与“人类基因组工程”方

示范，为更大范围的推广积累经验

［3］

．自此，国内多

个课题组开始了利用材料基因工程方法来研究和设

计锂离子2次电池材料．

锂离子电池是目前综合性能最好的2次电池体系，具有能量密度高、循环寿命长、对环境污染小等优点，目前已经在很多消费电子领域获得了广泛的应用．然而，随着人们对可移动能源的需求越来越大，对其要求也越来越高．比如，汽车用动力电池需要更高的能量密度和更苛刻的安全性能．而电池性能的提高，在很大程度上依赖于电池材料性能的提高

［4］

法类似，通过高通量的第一性原理计算，结合已知的

可靠实验数据，用理论模拟去尝试尽可能多的真实或未知材料，建立其化学组分、晶体结构和各种物性的数据库，并利用计算机数据处理方法，通过数据挖掘技术探寻材料结构和性能之间的构效关系模式，为材料设计提供更多的信息，拓宽材料筛选范围，预知材料各项性能，进而达到缩短材料性质优化和测试周期，加速材料研究的创新

［1］

．．近几十年来，已有大量的研究人员在从事锂

2011年6月24日，美国总统奥巴以美国为首，

马宣布启动一项价值超过5亿美元的先进制造业伙AMP）伴关系（AdvancedManufacturingPartnership，

计划，呼吁美国政府、高校及企业之间应加强合作，以强化美国制造业领先地位，而材料基因组计划（MaterialsGenomeInitiative，MGI）作为AMP［2］计划投资将超过1亿美元．而在国中的重要组成部分，

2011年12月21日到23日召开了以“材料科学内，

系统工程”为主题的香山科学会议

［3］

离子电池材料的改性和开发，但收效甚小．比如，正Ni，极材料到目前为止仅有层状的LiMO2（M=Co，Mn）体系，尖晶石结构的LiMn2O4材料体系以及橄Mn）体系这3类．究其榄石结构的LiMPO4（M=Fe，

（Trial原因在于目前主流的材料开发是“试错法”andError），而这种模式效率低、周期长、针对性差．

受益于计算技术的快速发展，利用计算机模拟技术来设计材料，已经慢慢显现出其强大的功能．对锂离子电池材料的设计，近年来也已经取得了一些进展

［5-6］

．该会的主题

报告建议选择“以高温合金为重点的金属材料”和

12-29收稿日期：2014-

．而材料基因工程技术正是基于计算机模拟

基金项目：国家自然科学基金（11234013）和江西省自然科学基金（20133ACB21010）资助项目．），通信作者：欧阳楚英（1976-男，江西吉安人，教授，博士，主要从事锂离子电池材料物理方面的研究．

74江西师范大学学报（自然科学版）2015年

技术对材料设计的快速发展和大量经验积累的基础上，让材料设计更加系统化、科学化、规范化．材料基因工程计划的实现包括3个方面：（i）材料高通量计算系统；（ii）材料制备和性能测试系统；（iii）材料性能数据库与信息平台．就第1个方面，材料的高通量计算系统而言，近十几年来，锂离子电池材料的计算机模拟和设计已经有了足够的经验积累，在计算方法上已经能够涵盖锂离子电池的动力学和倍率性能

［8］

、结构稳定性和循环性能、表面

［9］

稳定性等各个方面．从材料物性计算软件角度来

［7］

家进行验证，验证后规则就可加人知识库中，从而达

到知识发现的效果．

本文基于材料基因工程的思路，选择锂离子电池材料为示范，利用无机材料晶体结构数据库（ICSD，theinorganiccrystalinestructuredatabase）中的晶体结构数据为源数据，并连接到高性能并行计算中心计算材料的各种性能数据，建立了一个高通量计算平台，通过该平台来计算并生成比较完备的锂离子电池材料结构和性能数据库．利用该数据库，通过数据挖掘技术来探索锂离子电池材料的构效关系，为锂离子电池材料设计提供技术支撑．

DensityFunctional说，基于密度泛函理论（DFT，

Theory）的第一性原理计算软件目前已经比较成熟，已有大量实践表明这类软件对材料基本物理和化学性质的计算精度完全可以满足要求．其中最典型的代表就是VASP（Viennaabinitiosimulationpackage）软件包［10］，该软件基于密度泛函理论及缀

projectoraugmented-wave）赝势加平面波（PAW，法

，可以正确求解并描述各类固体材料中的电子

进而获得材料的基态能量、电子能态、电运动方程，

［11］

1数据生成和数据库结构

1．1

无机材料晶体结构数据库

利用材料基因工程思路来设计锂离子电池材料，首先需要建立锂离子电池材料的结构和性能数

据库．这里包括已知的锂离子电池材料和未知的可能用于锂离子电池的材料．首先需要大量相关材料的结构源数据，而源数据最方便的来源是晶体材料数据库．目前国际上有几个著名的晶体学数据中心，这些数据中心的主要作用之一是收集、储存和提供已知化合物的晶体结构数据．其中2个十分重要的

cambridgestruc-数据库为：剑桥结构数据库（CSD，

turaldatabase）和无机晶体结构数据库（ICSD）．本文的研究选择了无机晶体结构数据库，把该库中的所有含Li元素的材料和结构作为1级源数据，计算和分析这些结构的材料作为锂离子电池材料的可行性和优缺点．选定一些目标后，再进行原子替换、结构组合、原子掺杂等，进而生成更多的未知（ICSD库中不存在）的结构和材料，形成2级源数据．同时，还

K等材可以选择和Li元素具有类似性质的含Na、料的结构，将Na和K替换成Li，生成2级源数据．21］．级目标晶体结构数据的产生思想可参阅文献［

晶体按其内部结构可分为7大晶系

［14］

荷密度和分布等信息．根据这些信息和一定的物理

和化学关系，从理论上可以获得材料的机械、热力学、电磁学、光学等基本物理化学性质．基于上述原因，目前高通量的材料计算仅仅是一个系统集成的 …… 此处隐藏：9838字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……