磷酸铁锰锂正极材料中关于材料结构与磁性的研究

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最近几年LiFePO4(LFP)由于其良好的安全性能,充放电性能,作为产业应用的主流的正极材料之一被广泛的研究,而通过引入Mn离子参杂改性提高材料电压以提高材料储能能量为LFP类材料的热门研究方向,被广泛关注及研究。为深入探究Mn离子在掺杂之后形成的LiMnxFe(1-x)PO4(LMFP)材料中的特性,相关研究者们应用不同的合成方法制作出不同锰铁含量的LMFP材料,并做了相关电化学测试,出现了强于LFP的性能,及其他纯态LFP中没有的实验现象(如,放电电压出现双峰并仅改变合成方法,在某些特殊制备方法下出现单峰;John-Taller效应等等)。我们知道LMFP的微观结构大体类似于LFP,但是对于其微观结构特征(Mn离子引入后,过渡金属层的排序结构、磁结构)由于实验手段的限制,我们无法精确得到。为探究此类材料微观结构特征,我们通过模拟计算的角度出发,通过调研文献选择合理的参数,通过第一性原理计算的手段,分别用两种方式:递归掺杂确定结构、比较具有代表性不同结构,模拟计算LiMnx Fe(1-x)PO4(LMFP)材料中的过渡金属排布结构与磁结构,并确定其最可能出现的微观结构。我们同时通过计算发现了LMFP材料中存在三种Mn-O-Mn、Mn-O-Fe、Fe-O-Fe不同强度的超交换相互作用,进一步通过基于第一性原理的能量、态密度计算研究,发现超交换相互作用在LMFP材料中对上述所探究的微观结构(过渡金属排布和磁结构)起决定性作用,使LMFP材料中掺入的Mn离子在过渡金属层中更趋向于特定的聚集串联排布形式存在,而非均匀排布;同时磁结构上趋向于呈现整体的反铁磁磁结构。本研究对二元或者是多元材料微观结构特征探究,和LMFP材料可控设计提供了研究线索和参考意义。
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