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《江西师范大学》 2010年 硕士论文
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锂离子电池正极材料LiMPO_4(M=Mn,Fe)的第一性原理研究

聂正新  
【摘要】:基于密度泛函理论,本文采用第一性原理投影缀加平面波方法结合广义梯度近似方法主要研究了以下三个方面的问题: 一、对锂离子电池正极材料LiMnPO_4的体态原子结构与电子结构进行了理论研究。给出了其晶体结构、态密度、电荷密度分布及能带结构等,此项工作一方面是为了获得LiMnPO_4的理论晶格常数和有关的电子结构,以便我们对其有更好的了解,另一方面通过与其他的理论和试验方法做比较,从而说明我们使用的PAW+(GGA+U)方法的合理性。结果证实本论文的计算结果和其他理论、实验结果均符合的很好。 二、利用第一性原理电子能带结构计算,首次从理论上分析了Li_xMnPO_4(x=0,0.5)的Jahn-Teller效应及Jahn-Teller效应对Li_xMnPO_4导电性能的影响。结果表明当x=0和0.5时存在很强的Jahn-Teller效应,电池在充电过程中Mn原子的化合价从+2价变到+3价,其丢失的电子占据轨道为d(x~2-y~2), Li_(0.5)MnPO_4的带隙是最小的。Jahn-Teller效应虽然对Li_xMnPO_4结构稳定性产生不利的影响,但对Li_xMnPO_4的电子导电性是有利的。 三、利用基于密度泛函理论的的第一性原理对体系LiFePO_4及其两种掺杂模型LiMn_yFe_(1-y)PO_4(Fe位掺杂)和LiFePF_zO_(4-z)(O位掺杂)的原子结构和电子结构进行了研究。结果表明,在阳离子掺杂中,掺杂虽然不能显著提高LiFePO_4体系的电子导电性,但可以提高正极材料的工作电压;当y取不同的值时,LiMn_yFe_(1-y)PO_4的嵌入电压不同,随着y的增加,嵌入电压逐渐增加;与体相相比,当y=0.75时,这种掺杂比例的模型各项性能都较好。而在阴离子掺杂中,掺杂虽然使体系结构发生了一定的扭曲,但掺杂可以显著提高LiFePO_4体系的电子导电率。


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