LixFePO4(x=0.0, 0.75, 1.0)电子结构与弹性性质的第一性原理研究

汝强; 胡社军; 赵灵智

doi:10.7498/aps.60.036301

摘要

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究方法,计算了不同嵌锂态LixFePO4(x=0,0.75,1.0)的电子结构. 对于橄榄石型LixFePO4正极材料,虽然Fe3d电子在费米能级附近相互交错,但由于受晶体场作用的限制,并不能真正成为自由电子,Fe3d电子对体系的导电性没有很大贡献,而Fe—O键在低能成键区形成p-d杂化的局域态共价键对稳定合金骨架具有重要作用. 随着锂离子的脱

关键词:

Based on density functional theory of the first-principle, the electronic structures of LiFexPO4 (x=0.0, 0.75, 1.0) are calculated. The calculated results show that Fe3d states restrained by crystalline field cannot contribute to free electrons even though Fe3d states cross the Fermi level. Meanwhile, Fe—O bond is beneficial to stabilize the alloy structure due to the p-d hybrid orbital. With lithium ion extraction, the enhanced covalent bonds appear. In LixFePO4 system, the strength of covalent bond is in the order of P—O>Fe—O>Li—O. LixFePO4 system displays brittleness of material characteristic, and the LixFePO4(x=1.0, 0.75) with lithium intercalation have stronger average bonding strength than that of FePO4.

Keywords:

作者及机构信息

1.
广东省高等学校量子信息技术重点实验室,华南师范大学物理与电信工程学院,广州 510006

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 50771046),广东高校优秀青年创新人才培育项目育苗工程(批准号:C10179)和广东省自然科学基金(批准号: 9451063101002082)资助的课题.

Authors and contacts

1.
Laboratory of Quantum Information Technology, School of Physics & Telecommunication Engineering, South China Normal University, Guangzhou 510006,China

参考文献

[1]	Chihiro Yada, Yasutoshi Iriyama, Soon-Ki Jeong 2005 J. Power Sources 146 559
[2]	Tarascon J M, Armand M 2001 Nature 414 360
[3]	State Ionics 130 41
[4]	Ouyang C Y, Shi S Q, Wang Z X, Huang X J, Chen L Q 2004 Phys. Rev. B 69 104303
[5]	Shi S Q, Zhang H, Ke X Z, Ouyang C Y, Lei M S, Chen L Q 2009 Phys. Lett. A 373 4096
[6]	Ouyang C Y, Shi S Q, Fang Q, Lei M S 2008 J. Power Sources 175 891
[7]	Shi S Q, Ouyang C Y, Xiong Z H, Liu L J, Wang Z X, Li H, Wang D S, Chen L Q, Huang X J 2005 Phys. Rev. B 71 144404
[8]	Huang H, Yin S C, Nazar L F 2001 Electrochem. Solid-State Lett. 4 A170
[9]	Ravet N, Chouinard Y, Armand M 2001 J. Power Sources 503 97
[10]	Ouyang C Y, Wang D Y, Shi S Q, Wang Z X, Li H, Huang X J, Chen L Q 2006 Chin. Phys. Lett. 23 61
[11]	Shi S Q, Liu L J, Ouyang C Y, Wang D S, Wang Z X, Chen L Q, Huang X J 2003 Phys. Rev. B 68 195108
[12]	Ouyang C Y, Shi S Q, Wang Z X, Li H, Huang X J, Chen L Q 2004 J. Phys.: Condens. Matter 16 2265
[13]	Wang D Y, Li H, Shi S Q, Huang X J, Chen L Q 2005 Electrochim. Acta 50 2955
[14]	Ceder G, Chiang Y M, Sadoway D R, Aydinol M K, Jang Y I, Huang B 1998 Nature 392 694
[15]	Shi S Q, Ouyang C Y, Lei M S, Tang W H 2007 J. Power Sources 171 908
[16]	Hu L Y, Xiong Z H, Ouyang C Y, Shi S Q, Ji Y H, Lei M S, Wang Z X, Li H, Huang X J, Chen L Q 2005 Phys. Rev. B 71 125433
[17]	Ouyang C Y, Du Y L, Shi S Q, Lei M S 2009 Phys. Lett. A 373 2796
[18]	Shi S Q, Wang D S, Meng S, Chen L Q, Huang X J 2003 Phys. Rev. B 67 115130
[19]	Shi S Q, Ouyang C Y, Wang D S, Chen L Q, Huang X J 2003 Solid State Commun. 126 531
[20]	Ouyang C Y, Shi S Q, Wang Z X, Huang X J, Chen L Q 2004 Solid State Commun. 130 501
[21]	Ouyang C Y, Du Y L, Shi S Q, Lei M S 2009 Phys. Lett. A 373 2796
[22]	Andersson A S, Kalska B, Hggstrm L, Thomas J O 2000 Solid
[23]	Piana M, Arrabito M, Bodoardo S, D'Epifanio A, Satolli D, Croce F, Scrosati B 2002 Ionics 8 17
[24]	Wang L L, Ma P H, Li F Q, Zhu G Q 2008 Chemistry 1 17 (in Chinese) [王连亮、马培华、李法强、诸葛芹 2008 化学通报 1 17]
[25]	Segall M D, Philip J D Lindan, Probert M J, Pickard C J, Hasnip P J, Clark S J, Payne M C 2002 Journal of Physics 14 2717
[26]	Hou X H, Hu S J, Li W S, Ru Q, Yu H W, Huang Z W 2008 Chin. Phys. B 17 3422
[27]	Hou X H, Hu S J, Li W S, Zhao L Z, Yu H W, Tan C L 2008 Acta Phys. Sin. 57 2374(in Chinese)[侯贤华、胡社军、李伟善、赵灵智、余洪文、谭春林 2008 57 2374]
[28]	Ormeci A, Chu F, Wills J M, Mitchell T E, Albers R C, Thoma D J, Chen S P 1996 Phys. Rev. B 54 12753
[29]	Padhi A K, Nanjundaswamy K S, Goodenough J B 1997 J. Electrochem. Soc. 144 1188
[30]	Fu C L, Wang X D, Ye Y, HO K M 1999 Intermetallics 7 179
[31]	Yu C, Liu J Y, Lu H, Li P L, Chen J M 2007 Intermetallics 15 1471
[32]	Andersson A S, Thomos J O 2001 J. Power Sources 97-98 498
[33]	Anderson O L 1963 J. Phys. Chem. Solids 24 909
[34]	Thomas Maxisch, Gerband Ceder 2006 Phys. Rev. B 73 174112
[35]	Pugh S F 1954 Philos. Mag. 45 823
[36]	Wang D, Wu X, Wang Z, Chen L 2005 J. Power Sources 140 125

施引文献

[1]	Chihiro Yada, Yasutoshi Iriyama, Soon-Ki Jeong 2005 J. Power Sources 146 559
[2]	Tarascon J M, Armand M 2001 Nature 414 360
[3]	State Ionics 130 41
[4]	Ouyang C Y, Shi S Q, Wang Z X, Huang X J, Chen L Q 2004 Phys. Rev. B 69 104303
[5]	Shi S Q, Zhang H, Ke X Z, Ouyang C Y, Lei M S, Chen L Q 2009 Phys. Lett. A 373 4096
[6]	Ouyang C Y, Shi S Q, Fang Q, Lei M S 2008 J. Power Sources 175 891
[7]	Shi S Q, Ouyang C Y, Xiong Z H, Liu L J, Wang Z X, Li H, Wang D S, Chen L Q, Huang X J 2005 Phys. Rev. B 71 144404
[8]	Huang H, Yin S C, Nazar L F 2001 Electrochem. Solid-State Lett. 4 A170
[9]	Ravet N, Chouinard Y, Armand M 2001 J. Power Sources 503 97
[10]	Ouyang C Y, Wang D Y, Shi S Q, Wang Z X, Li H, Huang X J, Chen L Q 2006 Chin. Phys. Lett. 23 61
[11]	Shi S Q, Liu L J, Ouyang C Y, Wang D S, Wang Z X, Chen L Q, Huang X J 2003 Phys. Rev. B 68 195108
[12]	Ouyang C Y, Shi S Q, Wang Z X, Li H, Huang X J, Chen L Q 2004 J. Phys.: Condens. Matter 16 2265
[13]	Wang D Y, Li H, Shi S Q, Huang X J, Chen L Q 2005 Electrochim. Acta 50 2955
[14]	Ceder G, Chiang Y M, Sadoway D R, Aydinol M K, Jang Y I, Huang B 1998 Nature 392 694
[15]	Shi S Q, Ouyang C Y, Lei M S, Tang W H 2007 J. Power Sources 171 908
[16]	Hu L Y, Xiong Z H, Ouyang C Y, Shi S Q, Ji Y H, Lei M S, Wang Z X, Li H, Huang X J, Chen L Q 2005 Phys. Rev. B 71 125433
[17]	Ouyang C Y, Du Y L, Shi S Q, Lei M S 2009 Phys. Lett. A 373 2796
[18]	Shi S Q, Wang D S, Meng S, Chen L Q, Huang X J 2003 Phys. Rev. B 67 115130
[19]	Shi S Q, Ouyang C Y, Wang D S, Chen L Q, Huang X J 2003 Solid State Commun. 126 531
[20]	Ouyang C Y, Shi S Q, Wang Z X, Huang X J, Chen L Q 2004 Solid State Commun. 130 501
[21]	Ouyang C Y, Du Y L, Shi S Q, Lei M S 2009 Phys. Lett. A 373 2796
[22]	Andersson A S, Kalska B, Hggstrm L, Thomas J O 2000 Solid
[23]	Piana M, Arrabito M, Bodoardo S, D'Epifanio A, Satolli D, Croce F, Scrosati B 2002 Ionics 8 17
[24]	Wang L L, Ma P H, Li F Q, Zhu G Q 2008 Chemistry 1 17 (in Chinese) [王连亮、马培华、李法强、诸葛芹 2008 化学通报 1 17]
[25]	Segall M D, Philip J D Lindan, Probert M J, Pickard C J, Hasnip P J, Clark S J, Payne M C 2002 Journal of Physics 14 2717
[26]	Hou X H, Hu S J, Li W S, Ru Q, Yu H W, Huang Z W 2008 Chin. Phys. B 17 3422
[27]	Hou X H, Hu S J, Li W S, Zhao L Z, Yu H W, Tan C L 2008 Acta Phys. Sin. 57 2374(in Chinese)[侯贤华、胡社军、李伟善、赵灵智、余洪文、谭春林 2008 57 2374]
[28]	Ormeci A, Chu F, Wills J M, Mitchell T E, Albers R C, Thoma D J, Chen S P 1996 Phys. Rev. B 54 12753
[29]	Padhi A K, Nanjundaswamy K S, Goodenough J B 1997 J. Electrochem. Soc. 144 1188
[30]	Fu C L, Wang X D, Ye Y, HO K M 1999 Intermetallics 7 179
[31]	Yu C, Liu J Y, Lu H, Li P L, Chen J M 2007 Intermetallics 15 1471
[32]	Andersson A S, Thomos J O 2001 J. Power Sources 97-98 498
[33]	Anderson O L 1963 J. Phys. Chem. Solids 24 909
[34]	Thomas Maxisch, Gerband Ceder 2006 Phys. Rev. B 73 174112
[35]	Pugh S F 1954 Philos. Mag. 45 823
[36]	Wang D, Wu X, Wang Z, Chen L 2005 J. Power Sources 140 125

[1]	钟淑琳, 仇家豪, 罗文崴, 吴木生. 稀土掺杂对LiFePO₄性能影响的第一性原理研究. , 2021, 70(15): 158203. doi: 10.7498/aps.70.20210227
[2]	吕常伟, 王臣菊, 顾建兵. 高温高压下立方氮化硼和六方氮化硼的结构、力学、热力学、电学以及光学性质的第一性原理研究. , 2019, 68(7): 077102. doi: 10.7498/aps.68.20182030
[3]	付现凯, 陈万骐, 姜钟生, 杨波, 赵骧, 左良. Ti₃O₅弹性、电子和光学性质的第一性原理研究. , 2019, 68(20): 207301. doi: 10.7498/aps.68.20190664
[4]	胡洁琼, 谢明, 陈家林, 刘满门, 陈永泰, 王松, 王塞北, 李爱坤. Ti3AC2相（A = Si，Sn，Al，Ge）电子结构、弹性性质的第一性原理研究. , 2017, 66(5): 057102. doi: 10.7498/aps.66.057102
[5]	嘉明珍, 王红艳, 陈元正, 马存良. Na+替位掺杂对Li2MnSiO4的电子结构以及Li+迁移过程的影响. , 2016, 65(5): 057101. doi: 10.7498/aps.65.057101
[6]	刘博, 王煊军, 卜晓宇. 高压下NH4ClO4结构、电子及弹性性质的第一性原理研究. , 2016, 65(12): 126102. doi: 10.7498/aps.65.126102
[7]	马昊, 刘磊, 路雪森, 刘素平, 师建英. 锂离子电池正极材料Li2FeSiO4的电子结构与输运特性. , 2015, 64(24): 248201. doi: 10.7498/aps.64.248201
[8]	王金荣, 朱俊, 郝彦军, 姬广富, 向钢, 邹洋春. 高压下RhB的相变、弹性性质、电子结构及硬度的第一性原理计算. , 2014, 63(18): 186401. doi: 10.7498/aps.63.186401
[9]	李娟, 汝强, 孙大伟, 张贝贝, 胡社军, 侯贤华. 锂离子电池SnSb/MCMB核壳结构负极材料嵌锂性能研究. , 2013, 62(9): 098201. doi: 10.7498/aps.62.098201
[10]	颜小珍, 邝小渝, 毛爱杰, 匡芳光, 王振华, 盛晓伟. 高压下ErNi2B2C弹性性质、电子结构和热力学性质的第一性原理研究. , 2013, 62(10): 107402. doi: 10.7498/aps.62.107402
[11]	周平, 王新强, 周木, 夏川茴, 史玲娜, 胡成华. 第一性原理研究硫化镉高压相变及其电子结构与弹性性质. , 2013, 62(8): 087104. doi: 10.7498/aps.62.087104
[12]	黄乐旭, 陈远富, 李萍剑, 黄然, 贺加瑞, 王泽高, 郝昕, 刘竞博, 张万里, 李言荣. 氧化石墨制备温度对石墨烯结构及其锂离子电池性能的影响. , 2012, 61(15): 156103. doi: 10.7498/aps.61.156103
[13]	窦俊青, 康雪雅, 吐尔迪·吾买尔, 华宁, 韩英. Mn掺杂LiFePO4的第一性原理研究. , 2012, 61(8): 087101. doi: 10.7498/aps.61.087101
[14]	彭薇, 岳敏, 梁奇, 胡社军, 侯贤华. 锂离子电池LiMn1-xFexPO4(0x<1)正极材料的制备及性能研究. , 2011, 60(3): 038202. doi: 10.7498/aps.60.038202
[15]	陈海川, 杨利君. LiGaX2(X=S, Se, Te)的电子结构,光学和弹性性质的第一性原理计算. , 2011, 60(1): 014207. doi: 10.7498/aps.60.014207
[16]	忻晓桂, 陈香, 周晶晶, 施思齐. LiFePO4 晶格动力学性质的第一性原理研究. , 2011, 60(2): 028201. doi: 10.7498/aps.60.028201
[17]	杨天兴, 成强, 许红斌, 王渊旭. 几种三元过渡金属碳化物弹性及电子结构的第一性原理研究. , 2010, 59(7): 4919-4924. doi: 10.7498/aps.59.4919
[18]	张华, 唐元昊, 周薇薇, 李沛娟, 施思齐. LiFePO4中对位缺陷的第一性原理研究. , 2010, 59(7): 5135-5140. doi: 10.7498/aps.59.5135
[19]	侯榆青, 张小东, 姜振益. 第一性原理计算MAlH4(M=Na, K)的结构和弹性性质. , 2010, 59(8): 5667-5671. doi: 10.7498/aps.59.5667
[20]	侯柱锋, 刘慧英, 朱梓忠, 黄美纯, 杨勇. 锂离子电池负极材料CuSn的Li嵌入性质的研究. , 2003, 52(4): 952-957. doi: 10.7498/aps.52.952

计量

文章访问数: 9167
PDF下载量: 805
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板