稀土掺杂对LiFePO4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
• 来源期刊: 物理学报
• 关键词: 第一性原理计算 稀土掺杂 锂离子电池 LiFePO4
• 年，卷（期）: 2021,（15）
• 所属期刊栏目: 物理学交叉学科及有关科学技术领域|INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
• 页码范围: 301-310
• 页数: 10页
• 语种: 中文
• DOI: 10.7498/aps.70.20210227

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.