电池正极材料的量子化学与电化学行为研究

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锂离子电池正极材料LiFePO4以其无毒、对环境友好、比容量高、循环性能好等优点,成为研究热点。LiFePO4目前的研究多是集中在材料的制备、表征等工作上,从理论角度的研究分析则不多,国内少有报道。因此采用量子化学理论计算LiFePO4很有意义,能为认识锂离子电池正极材料LiFePO4的结构和性能提供理论依据。而正极材料电解二氧化锰因具有良好的电化学性能在Zn/MnO2原电池中得到广泛的应用,在锂离子电池中也有一定的应用前景。但在中性溶液中的研究并不常见,所以对电解二氧化锰在中性溶液中的研究仍显得十分必要。本论文应用Gaussian03W软件,选取8LiFePO4共56个原子和8FePO4共48个原子的模型计算。选择了密度泛函(B3LYP)方法和4-31G/6-31G*基组组合,计算结果能较好的解释一些实验现象。论文通过计算得到了体系的总能量、净电荷分布、原子重叠布居数,平均嵌入电压和态密度。结果表明:FePO4中嵌入锂后能量降低了,体系稳定性提高;锂在嵌入材料后是部分失去电子,以离子状态存在于体系中;锂氧原子间作用力最弱,离子性更强,有利于Li离子在晶格中的自由移动,但磷氧原子间作用力很强,共价键最强,强的P-O共价键会使Li离子的嵌入脱出运动受到影响;根据脱/嵌锂模型的能量变化,计算出的锂离子电池LiLiFePO4的平均电压为3.2V,和实验值3.4V基本一致;从态密度分析可知,LiFePO4有较好的导电性,但两者都是典型的半导体,LiFePO4中O原子主要贡献总态密度靠费米能级价带一侧,Fe原子主要贡献总态密度靠费米能级导带一侧。论文还用微电极技术、循环伏安、交流阻抗、XRD等方法对EMD在不同中性溶液中与在MgSO4溶液中的电化学行为进行了对比研究。结果表明:EMD在MgSO4溶液中有着特殊的循环伏安性能。Mg2+对EMD的氧化还原过程有影响,在多次循环扫描后,在还原时有新的、具有电化学活性的物质生成,出现一个新的氧化峰,且具有一定的可充性能。交流阻抗测试表明EMD在MgSO4溶液中的电极过程是由电化学过程和扩散过程控制。XRD谱图证实在还原过程中有新的电化学活性物质生成,和电化学的分析基本一致,但同样也有电化学惰性物质生成,造成容量衰减。
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