稀土掺杂对LiFePO4性能影响的第一性原理研究

摘要：

掺杂是提高LiFePO4体相电子电导率, 优化其电化学性能的重要方法之一. 稀土元素因具有高的电子电荷、大的离子半径以及强的自极化能力, 成为掺杂改性的重要选择. 本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了稀土元素 (La, Ce, Pr) 掺杂的锂离子电池正极材料LiFePO4的性质. 计算结果表明, 稀土元素掺杂均不同程度地增加了LiFePO4的晶格常数和晶胞体积. 在脱锂过程中, 稀土掺杂后材料体积变化率明显减小, 材料的循环性能提升, 但电池能量密度下降. 稀土掺杂使LiFePO4由原来的半导体特性转变为金属特性, 增加了材料的电子电导率. 力学特性的计算表明稀土显著增加了LiFePO4材料的延展性. 另外, La和Ce掺杂后的LiFePO4在Li离子迁移过程中表现出复杂的能垒变化, 在远离稀土离子处迁移势垒呈现出不同程度的减小, 而在靠近稀土离子处迁移势垒起伏较大. 与Ce掺杂相比, La掺杂造成的离子迁移势垒的变化程度更大, 表明稀土离子掺杂对体系局域结构产生较大的影响.

关键词：第一性原理计算;稀土掺杂;锂离子电池;LiFePO4

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资助基金：国家自然科学基金;江西省自然科学基金;中国福建能源器件科学技术创新实验室开放基金

在线出版日期：2021-08-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共10页

页码：301-310