稀土掺杂对LiFePO_4性能影响的第一性原理研究

作者：钟淑琳; 仇家豪; 罗文崴; 吴木生^*

来源：Acta Physica Sinica, 2021, 70(15): 307-316.

• 第一性原理计算
• 稀土掺杂
• 锂离子电池
• LiFePO_4

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.

• 单位
  江西师范大学