锂离子电池正极材料及铁电材料的第一性原理研究

【摘要】：本论文主要研究内容包括:采用第一性原理研究的方法,在锂离子电池正极材料LiCoPO_4中,采用Li位和Co位金属掺杂对材料的晶体结构、电子结构以及平均嵌入电压的影响;对锂离子电池正极材料LiMBO_3(M=Mn、Fe、Co)的电子结构、磁结构和基态以及电化学电压进行了计算研究;研究了Li_3V_2(PO_4)_3的磁基态,并从实验上证实了这种磁结构的存在;对新型材料锂离子电池正极材料Li_9M_3(P_2O_7)_3(PO_4)_2 (M=Fe, Cr, Co, V)的晶体结构、电子性质以及可脱出锂的顺序和形成的平均嵌入电压进行了研究;计算了铁电材料BiAlO_3的稳定性和材料中的空位缺陷。 对于尖晶石结构的磷酸盐LiCoPO_4,采用第一性原理计算了Li位掺杂Na、Cr,Co位掺杂Ni、Zn、Ca、Mg、Mn同价金属和Cu、Al、In、Mo、Zr等不同价金属对晶体结构、电子性质等的影响。研究结果显示,不管是Li位掺杂还是Co位掺杂都会使材料脱锂前后的体积变化减小。通过对Li离子的空位形成能和掺杂在Li位的金属的空位形成能比较,可以看出在Li位的掺杂金属会导致Li离子扩散的路径的堵塞。计算结果表明金属掺杂会导致电子结构的变化,特别是在Co位掺杂不同价金属会导致缺陷能级的产生,从而影响了材料的电导性以及嵌入电压。 对Mn掺杂LiCoPO_4的计算显示,脱锂前后的体积变化比未掺杂的小了0.68%,这对改善LiCoPO_4正极材料的循环性非常重要;对不同Mn掺杂量LiCoPO_4的平均嵌入电压的计算结果表明,当Mn量低于0.25时锂脱嵌主要呈现的是Co的氧化还原性质,但随着Mn量的增加Mn的氧化还原性质也会呈现出来。也就是说,当Mn、Co共存的情况下,Mn也能展示一定的电化学活性,这和Fe、Mn共存使Mn展示一定的电化学活性一致。不同锰掺杂量下平均嵌入电压的变化趋势用简单的点电荷模型也能够给出很好的解释。 LiMBO_3(M=Mn、Fe、Co)的结构、磁性和电子性质的计算揭示在这类材料中自旋极化对稳定电子态扮演着重要的角色。对LiMnBO_3,不管是六角结构还是单斜结构都展示了沿[001]方向的一维反铁磁,这和在金属-金属磁相互作用中的氧中介超交换机制的结果是一致的。而且所计算的磁矩5μB是接近实验值5.4μB的。对于Fe和Co的结构,磁基态也是沿着c方向的一维反铁磁基态。计算的态密度说明这类材料是带有带隙宽度在0.4~2eV之间的半导体。相应的平均嵌入电压也和实验值一致,位于2~4.8V之间。随着Li离子从材料中脱出,M-O的键长也随之减小,这说明金属和氧形成的方金字塔存在更大的静电排斥作用。因此,由于静电排斥效应,随着Li离子脱出原胞的体积就会减小。 Li_3V_2(PO_4)_3的结构计算表明,这种材料在脱锂前后的体积变化是相对小的,所以这种材料在Li离子脱嵌过程中有小的结构重排。带有自旋的结构基态能量比没有自旋的低,所以这种材料是一种弱铁磁材料。电子态密度说明材料有好的电子导电性。在频率为1kHz下,室温测得的电阻为650欧姆。并且随着温度和频率升高,电阻会降低,温度高于300℃,电阻几乎降为零。 新型的锂离子电池正极材料Li_9M_3(P_2O_7)_3(PO_4)_2计算的Wyckoff参数和实验结果基本一致,其中不同金属化合物的体积和晶格参数a、b变化和原子半径的变化一致的,只有Co的晶格参数c比Fe的大。态密度显示Co、V化合物的费米能级附近存在带隙,而Fe、Cr的化合物的费米能级刚好落在一能带的峰的位置,说明Fe、Cr的化合物结构不稳定。另外,Li1脱出所形成的空位形成能是更低的,因此在这个位置的Li离子在低的电压时首先脱出。Li(2)和Li(3)的空位形成能相比,Li(3)的空位形成能是更低的,是比Li(2)更容易形成空位。所以,理论上Li离子的脱出顺序是Li(1), Li(3),最后是Li(2)。基于锂离子的脱出序,计算的平均嵌入电压:显示,含Fe化合物只有一个Li1能够脱出,平均嵌入电压高于4V;对V的化合物来说,理论上共可脱出6个Li,第一个Li脱出形成的电压为3.4V,三个Li脱出后电压升到4.56V,随着6个Li全部脱出电压达到4.75V,计算结果和实验基本一致。 通过第一性原理计算和热力学分析, BiAlO_3的稳定的化学势范围被调查。并且考虑了在样品准备过程中空位形成的化学环境。BiAlO_3的空位缺陷主要是带电空位,包括-3价的金属空位和+2价的氧空位。Bi-O双空位呈现的主要是-1或-2价,但是由于形成能较高,所以较难形成。而且,研究也发现,所有可能空位在R3c对称性结构比在Pm3m结构中更容易形成。