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Mn掺杂LiFePO4的第一性原理研究

窦俊青 康雪雅 吐尔迪·吾买尔 华宁 韩英

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Mn掺杂LiFePO4的第一性原理研究

窦俊青, 康雪雅, 吐尔迪·吾买尔, 华宁, 韩英

The first principles and experimental study on Mn-doped LiFePO4

Dou Jun-Qing, Kang Xue-Ya, Tuerdi Wumair, Hua Ning, Han Ying
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  • 采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 计算了不同Mn掺杂浓度LiFe1-xMnxPO4 (x=0,0.25,0.50,0.75) 的电子结构. 同时采用流变相辅助高温固相碳热还原法制备了LiFe1-xMnxPO4 (x= 0,0.25,0.50,0.75) 材料. 理论计算表明: LiFePO4具有Eg = 0.725 eV的带隙宽度, 为半导体材料. 通过Fe位掺杂25%的Mn离子可最大程度地 减小材料带隙宽度、降低FeO键及LiO键键能, 进而提高材料的电子电导率及锂离子扩散速率. 实验结果亦表明, 当Mn掺杂量x=0.25时, 材料具有最优的电化学性能, 其具有约为158 mAh g-1的放电比容量以及551 Wh kg-1的能量密度. 理论计算与实验结果非常符合.
    The electronic structures of pure and Mn-doped LiFePO4 are studied using density functional theory (DFT). The results demonstrate that the pure LiFePO4 has a band gap of 0.725 eV, while the 25% Mn doped LiFe0.75Mn0.25PO4 has the smallest band gap (0.469 eV), and the weakest FeO and LiO bond, which indicates that the electronic conductivity and the ionic conductivity of the doped LiFePO4 are improved due to doping. On the other hand, the experimental results also show that the LiFe0.75Mn0.25PO4 has the best electrochemical performance and it delivers a very high capacity of 158 mAh? g-1 and a high energy density of 551 Whkg-1.
    • 基金项目: 乌鲁木齐市科技计划(批准号: K111410005)、中国科学院西部之光人才培养计划 (批准号: XBBS200919)和中国科学院知识创新工程重要方向性项目(批准号: KGCX2-YW-359)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the Science and Technology Program of Urumqi, China (Grant No. K111410005), the West Light Talents Cultivation Program of Chinese Academy of Sciences (Grant No. XBBS200919), and the Main Direction Program of the Knowledge Innovation of Chinese Academy of Sciences (Grant No. KGCX2-YW-359).
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出版历程
  • 收稿日期:  2011-08-16
  • 修回日期:  2012-04-28
  • 刊出日期:  2012-04-20

Mn掺杂LiFePO4的第一性原理研究

  • 1. 中国科学院新疆理化技术研究所新疆电子信息材料与器件重点实验室, 乌鲁木齐 830011;
  • 2. 中国科学院研究生院, 北京 100049
    基金项目: 乌鲁木齐市科技计划(批准号: K111410005)、中国科学院西部之光人才培养计划 (批准号: XBBS200919)和中国科学院知识创新工程重要方向性项目(批准号: KGCX2-YW-359)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, 计算了不同Mn掺杂浓度LiFe1-xMnxPO4 (x=0,0.25,0.50,0.75) 的电子结构. 同时采用流变相辅助高温固相碳热还原法制备了LiFe1-xMnxPO4 (x= 0,0.25,0.50,0.75) 材料. 理论计算表明: LiFePO4具有Eg = 0.725 eV的带隙宽度, 为半导体材料. 通过Fe位掺杂25%的Mn离子可最大程度地 减小材料带隙宽度、降低FeO键及LiO键键能, 进而提高材料的电子电导率及锂离子扩散速率. 实验结果亦表明, 当Mn掺杂量x=0.25时, 材料具有最优的电化学性能, 其具有约为158 mAh g-1的放电比容量以及551 Wh kg-1的能量密度. 理论计算与实验结果非常符合.

English Abstract

参考文献 (21)

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