Mn掺杂LiFePO4的第一性原理研究

窦俊青; 康雪雅; 吐尔迪·吾买尔; 华宁; 韩英

doi:10.7498/aps.61.087101

摘要

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 计算了不同Mn掺杂浓度LiFe1-xMnxPO4 (x=0,0.25,0.50,0.75) 的电子结构. 同时采用流变相辅助高温固相碳热还原法制备了LiFe1-xMnxPO4 (x= 0,0.25,0.50,0.75) 材料. 理论计算表明: LiFePO4具有Eg = 0.725 eV的带隙宽度, 为半导体材料. 通过Fe位掺杂25%的Mn离子可最大程度地减小材料带隙宽度、降低FeO键及LiO键键能, 进而提高材料的电子电导率及锂离子扩散速率. 实验结果亦表明, 当Mn掺杂量x=0.25时, 材料具有最优的电化学性能, 其具有约为158 mAh g-1的放电比容量以及551 Wh kg-1的能量密度. 理论计算与实验结果非常符合.

关键词:

Abstract

The electronic structures of pure and Mn-doped LiFePO4 are studied using density functional theory (DFT). The results demonstrate that the pure LiFePO4 has a band gap of 0.725 eV, while the 25% Mn doped LiFe0.75Mn0.25PO4 has the smallest band gap (0.469 eV), and the weakest FeO and LiO bond, which indicates that the electronic conductivity and the ionic conductivity of the doped LiFePO4 are improved due to doping. On the other hand, the experimental results also show that the LiFe0.75Mn0.25PO4 has the best electrochemical performance and it delivers a very high capacity of 158 mAh? g-1 and a high energy density of 551 Whkg-1.

Keywords:

作者及机构信息

1.
中国科学院新疆理化技术研究所新疆电子信息材料与器件重点实验室, 乌鲁木齐 830011;

2.
中国科学院研究生院, 北京 100049

基金项目: 乌鲁木齐市科技计划(批准号: K111410005)、中国科学院西部之光人才培养计划 (批准号: XBBS200919)和中国科学院知识创新工程重要方向性项目(批准号: KGCX2-YW-359)资助的课题.

Authors and contacts

1.
Xinjiang Key Laboratory of Electronic Information Materials and Devices, Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China;

2.
Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Funds: Project supported by the Science and Technology Program of Urumqi, China (Grant No. K111410005), the West Light Talents Cultivation Program of Chinese Academy of Sciences (Grant No. XBBS200919), and the Main Direction Program of the Knowledge Innovation of Chinese Academy of Sciences (Grant No. KGCX2-YW-359).

参考文献

[1]	Padhi A K, Nanjundaswamy K S, Goodenough J B 1997 J. Electrochem. Soc. 14 1188
[2]	Shin H C, Nam K W, Chang W Y 2011 Electrochem. Acta 56 1182
[3]	Huang F, Liu Y, Lei Y, Fan L X 2010 J. Wuhan Univ. Sci. Technol. 33 532 (in Chinese) [黄峰, 刘芸, 雷艳, 范丽霞 2010 武汉科技大学学报 33 532]
[4]	Liu H, Feng Y, Wang Z H, Wang K, Xie J Y 2008 Powder Technol. 184 313
[5]	Jin S F, Han E S, Liu J Y, Zhang J P 2011 Chin. J. Powder Sources 35 263 (in Chinese) [靳素芳, 韩恩山, 刘吉云, 张俊平 2011 电源技术 35 263]
[6]	Ren Z G, Qu M Z, Yu Z L 2010 J. Inorg. Mater. 25 230 (in Chinese) [任兆刚, 瞿美臻, 于作龙 2010 无机材料学报 25 230]
[7]	Long Y F, Wang F, Lü X Y, Yang K D, Wen Y X 2011 J. Inorg. Mater. 26 625 (in Chinese) [龙云飞, 王凡, 吕小艳, 杨克迪, 文衍宣 2011 无机材料学报 26 625]
[8]	Zhang W K, Hu Y L, Tao X Y, Huang H, Gan Y P, Wang C T 2010 J. Phys. Chem. Solids 71 1196
[9]	Xin X G, Chen X, Zhou J J, Shi S Q 2011 Acta Phys. Sin. 60 028201 (in Chinese) [忻晓桂, 陈香, 周晶晶, 施思齐 2011 60 028201]
[10]	Hou X H, Hu S J 2010 Chin. Sci. Bull. 55 3222
[11]	Liu Z J, Huang X J, Wang D S 2008 Solid State Commun. 147 505
[12]	Xu F W, Xue W D, Su R, Wang M X 2008 J. Sichuan Normal Univ. (Nat. Sci.) 31 224 [许芳伟, 薛卫东, 苏荣, 王明玺 2008 四川师范大学学报 (自然科学版) 31 224]
[13]	Liu H, Xie J Y 2009 J. Mater. Process. Technol. 209 477
[14]	Oh S M, Oh S W, Yoon C S, Scrosati B, Amine K, Sun Y K 2010 Adv. Funct. Mater. 20 3260
[15]	Li G H, Azuma H, Tohda M 2002 Electrochem. Solid-State Lett. A 5 135
[16]	Xu J, Chen G 2010 Physica B 405 803
[17]	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
[18]	Yamada A, Chung S C, Hinokuma K 2001 J. Electrochem. Soc. 148 A224
[19]	Zhang H, Tang Y H, Zhou W W, Li P J, Shi S Q 2010 Acta Phys. Sin. 59 5135 (in Chinese) [张华, 唐元昊, 周薇薇, 李沛娟, 施思齐 2010 59 5135]
[20]	Gao F, Tang Z Y 2008 Electrochem. Acta 53 5071
[21]	Chen C H, Liu J, Amine K 2001 J. Power Sources 96 321

施引文献

[1]	Padhi A K, Nanjundaswamy K S, Goodenough J B 1997 J. Electrochem. Soc. 14 1188
[2]	Shin H C, Nam K W, Chang W Y 2011 Electrochem. Acta 56 1182
[3]	Huang F, Liu Y, Lei Y, Fan L X 2010 J. Wuhan Univ. Sci. Technol. 33 532 (in Chinese) [黄峰, 刘芸, 雷艳, 范丽霞 2010 武汉科技大学学报 33 532]
[4]	Liu H, Feng Y, Wang Z H, Wang K, Xie J Y 2008 Powder Technol. 184 313
[5]	Jin S F, Han E S, Liu J Y, Zhang J P 2011 Chin. J. Powder Sources 35 263 (in Chinese) [靳素芳, 韩恩山, 刘吉云, 张俊平 2011 电源技术 35 263]
[6]	Ren Z G, Qu M Z, Yu Z L 2010 J. Inorg. Mater. 25 230 (in Chinese) [任兆刚, 瞿美臻, 于作龙 2010 无机材料学报 25 230]
[7]	Long Y F, Wang F, Lü X Y, Yang K D, Wen Y X 2011 J. Inorg. Mater. 26 625 (in Chinese) [龙云飞, 王凡, 吕小艳, 杨克迪, 文衍宣 2011 无机材料学报 26 625]
[8]	Zhang W K, Hu Y L, Tao X Y, Huang H, Gan Y P, Wang C T 2010 J. Phys. Chem. Solids 71 1196
[9]	Xin X G, Chen X, Zhou J J, Shi S Q 2011 Acta Phys. Sin. 60 028201 (in Chinese) [忻晓桂, 陈香, 周晶晶, 施思齐 2011 60 028201]
[10]	Hou X H, Hu S J 2010 Chin. Sci. Bull. 55 3222
[11]	Liu Z J, Huang X J, Wang D S 2008 Solid State Commun. 147 505
[12]	Xu F W, Xue W D, Su R, Wang M X 2008 J. Sichuan Normal Univ. (Nat. Sci.) 31 224 [许芳伟, 薛卫东, 苏荣, 王明玺 2008 四川师范大学学报 (自然科学版) 31 224]
[13]	Liu H, Xie J Y 2009 J. Mater. Process. Technol. 209 477
[14]	Oh S M, Oh S W, Yoon C S, Scrosati B, Amine K, Sun Y K 2010 Adv. Funct. Mater. 20 3260
[15]	Li G H, Azuma H, Tohda M 2002 Electrochem. Solid-State Lett. A 5 135
[16]	Xu J, Chen G 2010 Physica B 405 803
[17]	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
[18]	Yamada A, Chung S C, Hinokuma K 2001 J. Electrochem. Soc. 148 A224
[19]	Zhang H, Tang Y H, Zhou W W, Li P J, Shi S Q 2010 Acta Phys. Sin. 59 5135 (in Chinese) [张华, 唐元昊, 周薇薇, 李沛娟, 施思齐 2010 59 5135]
[20]	Gao F, Tang Z Y 2008 Electrochem. Acta 53 5071
[21]	Chen C H, Liu J, Amine K 2001 J. Power Sources 96 321

[1]	周斌, 肖事成, 王一楠, 张晓毓, 钟雪, 马丹, 戴赢, 范志强, 唐贵平. VS₂作为锂离子电池负极材料的第一性原理研究. , 2024, 73(11): 113101. doi: 10.7498/aps.73.20231681
[2]	张妮妮, 任娟, 罗澜茜, 刘平平. Be掺杂石墨双炔作为锂离子电池负极材料的第一性原理研究. , 2024, 73(21): 217301. doi: 10.7498/aps.73.20240996
[3]	彭淑平, 黄旭东, 刘乾, 任鹏, 伍丹, 范志强. 二噻吩硼烷异构体分子结构测定的第一性原理研究. , 2023, 72(5): 058501. doi: 10.7498/aps.72.20221973
[4]	谢奕展, 程夕明. 一种求解锂离子电池单粒子模型液相扩散方程的新方法. , 2022, 71(4): 048201. doi: 10.7498/aps.71.20211619
[5]	谢奕展, 程夕明. 一种求解锂离子电池单粒子模型液相扩散方程的新方法. , 2021, (): . doi: 10.7498/aps.70.20211619
[6]	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
[7]	郑路敏, 钟淑英, 徐波, 欧阳楚英. 锂离子电池正极材料Li₂MnO₃稀土掺杂的第一性原理研究. , 2019, 68(13): 138201. doi: 10.7498/aps.68.20190509
[8]	代广珍, 蒋先伟, 徐太龙, 刘琦, 陈军宁, 代月花. 密度泛函理论研究氧空位对HfO2晶格结构和电学特性影响. , 2015, 64(3): 033101. doi: 10.7498/aps.64.033101
[9]	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
[10]	吴江滨, 钱耀, 郭小杰, 崔先慧, 缪灵, 江建军. 硅纳米团簇与石墨烯复合结构储锂性能的第一性原理研究. , 2012, 61(7): 073601. doi: 10.7498/aps.61.073601
[11]	张易军, 闫金良, 赵刚, 谢万峰. Si掺杂β-Ga2O3的第一性原理计算与实验研究. , 2011, 60(3): 037103. doi: 10.7498/aps.60.037103
[12]	高巍, 巩水利, 朱嘉琦, 马国佳. 掺氮四面体非晶碳的第一性原理研究. , 2011, 60(2): 027104. doi: 10.7498/aps.60.027104
[13]	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
[14]	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
[15]	汝强, 胡社军, 赵灵智. 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. , 2011, 60(3): 036301. doi: 10.7498/aps.60.036301
[16]	李琦, 范广涵, 熊伟平, 章勇. ZnO 极性表面及其N原子吸附机理的第一性原理研究. , 2010, 59(6): 4170-4177. doi: 10.7498/aps.59.4170
[17]	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
[18]	杨冲, 杨春. Si(001)表面硅氧团簇原子与电子结构的第一性原理研究. , 2009, 58(8): 5362-5369. doi: 10.7498/aps.58.5362
[19]	周晶晶, 陈云贵, 吴朝玲, 郑欣, 房玉超, 高涛. 新型轻质储氢材料的第一性原理原子尺度设计. , 2009, 58(7): 4853-4861. doi: 10.7498/aps.58.4853
[20]	祝国梁, 疏达, 戴永兵, 王俊, 孙宝德. Si在TiAl3中取代行为的第一性原理研究. , 2009, 58(13): 210-S215. doi: 10.7498/aps.58.210

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