稀土摻雜對LiFePO4性能影響的第一性原理研究*

鐘淑琳 仇家豪 羅文崴 吳木生

(江西師范大學物理與通信電子學院, 南昌 330022)

摻雜是提高LiFePO4體相電子電導率, 優化其電化學性能的重要方法之一.稀土元素因具有高的電子電荷、大的離子半徑以及強的自極化能力, 成為摻雜改性的重要選擇.本文利用基于密度泛函理論的第一性原理方法研究了稀土元素 (La, Ce, Pr) 摻雜的鋰離子電池正極材料LiFePO4的性質.計算結果表明, 稀土元素摻雜均不同程度地增加了LiFePO4的晶格常數和晶胞體積.在脫鋰過程中, 稀土摻雜后材料體積變化率明顯減小, 材料的循環性能提升, 但電池能量密度下降.稀土摻雜使LiFePO4由原來的半導體特性轉變為金屬特性, 增加了材料的電子電導率.力學特性的計算表明稀土顯著增加了LiFePO4材料的延展性.另外, La和Ce摻雜后的LiFePO4在Li離子遷移過程中表現出復雜的能壘變化, 在遠離稀土離子處遷移勢壘呈現出不同程度的減小, 而在靠近稀土離子處遷移勢壘起伏較大.與Ce摻雜相比, La摻雜造成的離子遷移勢壘的變化程度更大, 表明稀土離子摻雜對體系局域結構產生較大的影響.

1 引 言

鋰離子電池由于具有高能量密度、高功率密度、高壽命、無污染等優點而廣泛應用于便攜式電子產品[1].近年來隨著電動汽車和清潔能源儲能需求的發展, 開發具有高能量密度、高功率密度、長循環壽命的鋰離子電池十分必要.鋰離子電池的性能在很大程度上取決于相關材料的性能, 特別是正極材料的綜合性能……