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Al掺杂的尖晶石型LiMn2O4的结构和电子性质

高潭华 刘慧英 张鹏 吴顺情 杨勇 朱梓忠

Al掺杂的尖晶石型LiMn2O4的结构和电子性质

高潭华, 刘慧英, 张鹏, 吴顺情, 杨勇, 朱梓忠
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  • 采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在广义梯度近似(GGA)和GGA+U方法下对尖晶石型LiMn2O4及其Al掺杂 的尖晶石型LiAl0.125Mn1.875O4晶体的结构和电子性质进行了计算. 结果表明: 采用GGA方法得到尖晶石型LiMn2O4是立方晶系结构, 其中的Mn离子为+3.5价, 无法解释它的Jahn-Teller 畸变. 给出的LiMn2O4能带结构特征也与实验结果不符. 而采用GGA+U方法得到在低温下的LiMn2O4和其掺杂 体系LiAl0.125Mn1.875O4的晶体都是正交结构, 与实验一致. 也能明确地确定Mn的两种价态Mn3+/Mn4+的分布并且能够说明Mn3+O6的z方向有明显的Jahn-Teller 畸变, 而Mn4+O6则没有畸变. LiMn2O4的能带结构与实验比较也能够符合. 采用GGA+U方法对Al掺杂体系的LiAl0.125Mn1.875O4的研究表明, 用Al替换一个Mn不会明显地改变晶体的电子性质, 但可以有效地消除Al3+O6 八面体的Jahn-Teller畸变, 从而改善正极材料LiMn2O4的性能, 这与电化学实验的观察结果相一致.
    • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号: 2011CB935903)和福建省自然科学基金(批准号: 2008J04018)资助的课题.
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    Shannon R D 1976 Acta Cryst. A 32 751

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出版历程
  • 收稿日期:  2011-11-25
  • 修回日期:  2012-03-19
  • 刊出日期:  2012-09-05

Al掺杂的尖晶石型LiMn2O4的结构和电子性质

  • 1. 武夷学院电子工程系, 武夷山 354300;
  • 2. 集美大学理学院, 厦门 361021;
  • 3. 厦门大学物理系, 厦门 361005;
  • 4. 厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室, 厦门 361005;
  • 5. 福建省理论与计算化学重点实验室, 厦门大学, 厦门 361005
    基金项目: 

    国家重点基础研究发展计划(批准号: 2011CB935903)和福建省自然科学基金(批准号: 2008J04018)资助的课题.

摘要: 采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在广义梯度近似(GGA)和GGA+U方法下对尖晶石型LiMn2O4及其Al掺杂 的尖晶石型LiAl0.125Mn1.875O4晶体的结构和电子性质进行了计算. 结果表明: 采用GGA方法得到尖晶石型LiMn2O4是立方晶系结构, 其中的Mn离子为+3.5价, 无法解释它的Jahn-Teller 畸变. 给出的LiMn2O4能带结构特征也与实验结果不符. 而采用GGA+U方法得到在低温下的LiMn2O4和其掺杂 体系LiAl0.125Mn1.875O4的晶体都是正交结构, 与实验一致. 也能明确地确定Mn的两种价态Mn3+/Mn4+的分布并且能够说明Mn3+O6的z方向有明显的Jahn-Teller 畸变, 而Mn4+O6则没有畸变. LiMn2O4的能带结构与实验比较也能够符合. 采用GGA+U方法对Al掺杂体系的LiAl0.125Mn1.875O4的研究表明, 用Al替换一个Mn不会明显地改变晶体的电子性质, 但可以有效地消除Al3+O6 八面体的Jahn-Teller畸变, 从而改善正极材料LiMn2O4的性能, 这与电化学实验的观察结果相一致.

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