Fe位掺杂Li2FeSO4材料的第一性原理研究

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基于密度泛函理论的第一性原理计算已广泛用于材料科学,该计算在电极材料的设计和优化中发挥着越来越重要的作用。因此,为了从微观角度深入了解材料的本质从而解决Li2FeSiO4低电导率等缺陷,本文采用第一性原理计算了空间群为P21结构的Li2FeSiO4材料的晶胞参数、电子电导和离子扩散能垒。然后在此基础上进行Fe位单掺杂Mn和双掺杂Mn/Ni两种改性研究,并对比了掺杂改性对材料电化学性能的影响。利用GGA+U方法,算得空间群为P21/n的Li2FeSiO4晶体带隙为3.047 eV,表明该材料为半导体。Li+沿着[101]晶面方向的扩散能垒为0.79 eV,脱锂态晶胞体积膨胀均较大。此外,计算得第一个锂离子的脱出电压为3.47 V,对应的氧化还原反应对Fe2+/Fe3+;而在第二个锂离子脱出时,O2-失去电子,导致电压过高为4.82 V,Li2FeSiO4材料第二个锂离子较难脱/嵌。以Li2FeSiO4为基础,建立了Fe位掺杂25%Mn的Li2Fe0.75Mn0.25SiO4晶胞,对比了掺杂前后的晶胞参数,电子结构和锂离子扩散能垒。掺入Mn导致了自旋向下的Fe-3d带向低能区的移动,Li2Fe0.75Mn0.25SiO4带隙下降为2.950 eV,[101]晶面方向能垒减小为0.77 eV。掺Mn材料中,脱锂态晶胞体积变化依然很大,脱出一个锂离子的平均电压增加为3.74 V,相应地Mn2+也参与了反应;脱出1.5个锂离子时,平均电压增加为4.87 V,单掺锰依然没有解决其大于1个锂离子脱出时电压过高的问题。Mn/Ni双掺杂材料中,导带低能区出现的Ni-3d轨道导致Li2Fe0.5Mn0.25Ni0.25SiO4的带隙减小为1.130 eV,锂离子扩散能垒减小为0.70 eV。脱锂态晶胞体积膨胀仍然较大,由于在整个脱锂过程中Ni2+都参与了电化学反应,第一阶段(2≥x≥1)的平均脱出电压增加为4.09 V,第二阶段(1≥x≥0.5)的平均脱出电压减小为4.79 V,使得第二个锂离子的脱出相对容易。
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