LiMn2O4尖晶石氧化物的低指数表面结构优化及表面能的第一性原理研究

• 作者: 陆远 王继芬 谢华清
• 来源期刊: 化学学报
• 关键词: LiMn2O4尖晶石氧化物 第一性原理计算 Jahn-Teller效应 低指数表面 表面重构
• 年，卷（期）: 2021,（8）
• 所属期刊栏目: 研究论文|Article
• 页码范围: 1058-1064
• 页数: 7页
• 语种: 中文
• DOI: 10.6023/A21050213

摘要

采用第一性原理密度泛函方法优化了LiMn2O4尖晶石结构,构建并计算了其低指数表面性质.结果 表明,广义梯度近似(GGA)和自旋极化广义梯度近似(GGA+U)计算的LiMn2O4晶体体相结构中,Mn的d轨道选取有效U值时晶格参数会变大.但两种计算结果都没有显示出电荷有序和Jahn-Teller畸变的情况.LiMn2O4尖晶石结构缺Li条件下,(001)、(010)和(100)表面Li终端与其他终端相比表面能更低;(110)表面Mr/O终端表面能较Li/Mn/O终端更低.在所涉及的低指数表面中(111)表面能最低,表面重构后(111)表面能低至0.270 J/m2,是尖晶石结构中最稳定的切面.关于反铁磁研究,(110)表面Mn/O终端表面能较Li/Mn/O终端更低.[↑↑↓↓]自旋排列下Mn/O终端表面能为1.050 J/m2,[↑↓↑↓]自旋排列下Mn/O终端表面能为1.061 J/m2,即(110)-反铁磁型表面在[↑↑↓↓]自旋组态比[↑↓↑↓]的磁性顺序下更加稳定.通过对(111)表面重构的研究,发现该表面欠配位的锰离子会与完全配位的锂离子通过位置交换,从而更加稳定.重构表面的平均锰氧化态降低,会减少Jahn-Teller效应的产生.除(111)表面外,其它低指数表面在铁磁和反铁磁下的表面能相似.其中,(001)T3,(100)T1,(110)T1和(111)T2的表面结构在各自不同表面终端中具有最小的表面能.本研究为理解LiMn2O4材料容量衰减问题和实验提供理论计算参考,有助于推动高性能锂电池材料的研究.