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掺杂尖晶石型LiMn_2O_4的第一性原理研究

【摘要】: LiMn_2O_4作为电极材料具有资源丰富、价格低、电位高、环境友好、安全性能高等优点,是最有希望取代LiCoO_2成为新一代锂离子电池的正极材料。但它在充放电循环的过程中存在由于结构稳定性差所导致严重的容量衰减现象和高温时的不稳定性,这也是限制它进一步市场化商业化的最主要因素。多年来许多科研工作者通过多种制备方法途径(如掺杂、表面包覆等)来改变其结构以提高稳定性和电化学性能。而对于微观的电子结构计算的报道则较少,因此,本文对尖晶石型LiMn_2O_4材料及其掺杂体系的电子结构计算探讨,从理论上解释掺杂机制并以期为LiMn_2O_4正极材料的合成与改性提供有意义的理论指导。 本文主要是通过对LiMn_2O_4掺杂Ni、Co,建立相应的掺杂晶体模型,并基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理超软赝势平面波方法计算了未掺杂与掺杂各体系的电子结构,考察了LiMn_2O_4晶体及其掺杂晶体中能带结构、态密度等电子结构的特点和变化规律,计算结果表明: LiMn_2O_4是直接能隙离子导体,其中的Li离子相对自由独立。靠近费米能级的Mn-3d电子轨道和O-2p电子轨道重叠较强,故Mn与O相互作用强烈,起到了使结构稳定的作用。经Ni、Co掺杂的体系均保持了单一的尖晶石型结构,体系总能量下降,晶胞体积减小,态密度上价带变宽,Mn-O键序增加,键长减小,Mn、O离子净电荷均增加,故Mn、O相互作用增大,掺杂Ni、Co增加了Mn-O键的平均强度,增强了LiMn_2O_4尖晶石结构的稳定性,故可有效抑制充放电中的结构变化,也有利于锂离子电池循环性能的提高。掺杂体系Li的态密度强度下降,Li离子和O离子的键序减小,键长增大,说明掺杂体系中Li和O相互作用减弱,体系导电性能提高。单独掺杂Ni时,费米能级升高;而单独掺杂Co时费米能级降低;复合掺杂体系能隙显著降低,提高导电性能为最佳。Ni对体系总体的电子特性的影响要大于Co。

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