Ga,Ge,As掺杂对锂离子电池正极材料Li_2CoSiO_4的电化学特性和电子结构影响的第一性原理研究

由于硅酸盐类正极材料Li_2CoSiO_4具有较高的理论放电容量而受到广泛关注,但其较高的放电平台使得现有电解液无法满足使用要求而限制了其进一步的应用和发展.本文运用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,结合Hubbard修正的广义梯度近似(GGA+U),系统地研究了Ga, Ge和As掺杂对Li_2CoSiO_4晶体结构、电化学特性和电子结构的影响.计算结果表明Ga, Ge和As掺杂改善了体系脱锂前后的体积变化,有利于提高Li_2CoSiO_4材料的循环稳定性.此外, Ga, Ge和As掺杂均有效降低了单位公式内第一个Li~+脱嵌时的理论平均脱嵌电压,同时掺杂Ge和As也可有效降低单位公式内第二个Li~+脱嵌时的理论平均脱嵌电压.态密度图结果表明Co~(2+)对其3d轨道电子具有强烈的束缚作用,导致体系在脱锂过程中Co~(2+)难以失去电子用以参与电荷补偿.而Ga, Ge和As掺杂有效地参与了体系在脱锂过程的电荷补偿,这是导致体系理论平均脱嵌电压降低的主要原因.     

镁离子电池正极材料VS_4掺杂改性的第一性原理研究

阳离子掺杂能够有效提高材料的电化学性能,而对掺杂材料结构和电化学性质的研究能从理论上解释产生这种变化的原因.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了过渡族金属掺杂的镁离子电池正极材料TM_(0.125)V_(0.875)S_4(TM=Mo、Fe、Co、Ni)的几何和电子结构变化,计算结果显示:通过采用范德华力修正的GGA+vdw-DF方法,获得了和实验结果相一致的晶格常数.阳离子掺杂后,a轴和b轴晶格常数减小,而c轴晶格常数增大.电子态密度分析表明离子掺杂能够有效降低带隙,提高材料的电子电导率.通过对镁离子扩散进行微动弹性带(NEB)计算,发现Fe掺杂能够有效降低扩散能垒,提高材料的离子迁移率.     

锂离子电池电极材料的第一性原理研究进展

文章综述了第一性原理计算在锂离子电池电极材料模拟与设计方面的研究进展.电极材料的研究包括电极材料的电子结构和电子导电性的研究,嵌锂电位、锂离子输运特性、嵌锂过程中局部结构弛豫与相变以及材料表面特性研究等方面,第一性原理计算在上述诸方面的研究都取得了一定的进展.这些理论上的研究成果,可以帮助人们加深对材料性能与机理的理解,同时对材料的设计也具有指导意义.     

锂离子电池电极材料的第一性原理研究进展

文章综述了第一性原理计算在锂离子电池电极材料模拟与设计方面的研究进展.电极材料的研究包括电极材料的电子结构和电子导电性的研究,嵌锂电位、锂离子输运特性、嵌锂过程中局部结构弛豫与相变以及材料表面特性研究等方面,第一性原理计算在上述诸方面的研究都取得了一定的进展.这些理论上的研究成果,可以帮助人们加深对材料性能与机理的理解,同时对材料的设计也具有指导意义.     

锂离子电池正极材料Li_2FeO_2的电子结构性质和Li扩散

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了锂离子电池正极材料Immm-Li_2FeO_2的声子谱、电子结构性质和Li扩散系数并与Li_2MO_2 (M=Co, Ni, Cu)材料进行对比.计算结果显示, Immm-Li_2FeO_2材料具有结构稳定性,计算结果呈铁磁性,能带结构具有半金属的特征. Fe离子外层d电子呈低自旋态,自旋极化P=8.01%.利用分波态密度分析了自旋向上和自旋向下的电子能带结构.此外,采用微动弹性带方法计算了各个方向上Li扩散的势垒,结果表明Li离子比较容易先进行c轴方向的迁移,迁移势垒为0.1 eV;然后再沿ab轴方向迁移,迁移势垒为0.21 eV,而沿a轴方向迁移的势垒为0.39 eV.这些势垒值比其他的Li_2MO_2 (M=Co, Ni, Cu)材料中的势垒值小,也比其他Fe基Li离子电池正极材料中的势垒值更低,意味着Li_2FeO_2中的Li离子将有更高的扩散系数,这对Li_2FeO_2作为正极材料具有重要的意义.     

3C-SiC材料p型掺杂的第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论平面波超软赝势法,研究了SiC材料p型掺杂的晶体结构和电子结构性质,得到了优化后体系的结构参数,掺杂形成能,能带结构和电子态密度,计算得到掺杂B,Al,Ga在不同浓度下的禁带宽度.结果表明:随着掺杂B原子浓度的增大,禁带宽度随之减小;而随着掺杂Al,Ga原子浓度的增大,禁带宽度随之增大;在相同浓度下,掺杂Ga的禁带宽度大于掺杂Al,掺Al禁带宽度大于掺B. 关键词： SiC 电子结构 掺杂 第一性原理软件     

锂离子电池正极材料LiMnPO4研究进展

综述了新型锂离子电池正极材料LiMnPO4的研究进展,重点对该材料的结构、结构与电化学性能的关系、阳离子掺杂对材料性能的影响、多种合成方法和材料改性措施进行了较详细的评述,并对该材料的应用前景进行了展望.     

锂离子电池硅基负极材料嵌锂行为的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,计算不同数量的锂离子引起的硅材料晶体结构的变化以及在嵌锂过程中形成Li_xSi(x=1、2、2.4、4.4)合金相的形成能与电子结构.采用LST/QST方法计算过渡态,模拟合金体相中的锂离子迁移过程.计算结果表明,随着嵌锂数量的增加,硅晶胞的体积在不断增大;Li_xSi合金相的形成能为负值,表明在嵌锂过程中锂离子和硅原子可以自发形成这些合金相,其中Li₇Si₃合金最容易形成;随着嵌锂量的增加,锂离子在费米能级处s轨道提供的电子数逐渐增加,锂硅合金在费米能级处的电子数量呈增大趋势,表明锂硅合金的导电性越来越优;常温下Li₂Si体相中很难直接形成锂离子空位,但锂离子空位的迁移过程很容易发生.     

氮掺杂的石墨烯作为钠离子电池负极材料的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯、氮掺杂的石墨烯和叽咯石墨烯吸附钠原子的电荷密度、吸附能、态密度和储存量.结果表明,三种石墨烯中,钠原子的最佳吸附位置为H位.与本征石墨烯相比,氮掺杂的石墨烯对钠原子的吸附能提高,叽咯石墨烯对钠原子的吸附能是-3.274 eV,约为本征石墨烯对钠原子吸附能的1.7倍.钠原子与叽咯石墨烯中的氮原子发生轨道杂化,而与本征石墨烯和氮掺杂的石墨烯没有发生轨道杂化现象.叽咯石墨烯能够吸附10个钠原子,与本征石墨烯相比显著提高,氮掺杂的石墨烯只能吸附4个钠原子.因此,叽咯石墨烯有望成为一种潜在的储钠材料.     

低共熔溶剂回收锂离子电池正极材料的研究

废旧锂离子电池不仅造成了严重的资源浪费同时还带来严重的环境污染问题.传统锂离子电池材料回收方法存在高能耗、高成本以及二次污染等不足.本文成功制备出乙二醇/氯化锌低共熔溶剂(DES),利用其对金属氧化物优秀的溶解能力,用于三元锂离子电池正极材料有价金属的回收,并分析了不同氯化锌浓度对低共熔溶剂热物性及其浸取能力的影响,对...     

He原子掺杂铝材料的第一性原理研究

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA),计算了铝及铝晶胞间隙位置掺入He原子后体系的几何结构、电子结构、总体能量和电荷布居值.计算结果表明:随着氦在金属铝中逐渐形成,铝晶胞体系会发生晶格畸变,但总的趋势是He在铝体系的八面体位置的晶格畸变小于其在四面体位置的晶格畸变.He在铝晶胞八面体和四面体间隙的杂质形成能分别为1.3367 eV和2.4411 eV.由此可知,He在铝晶胞中最稳定位置是八面体间隙位置.同时,文中还从原子尺度层面分析了He原子在铝晶胞中的占位及其键合性质,讨论 关键词： 铝材料 第一性原理 形成能     

锂离子电池掺钴正极材料电子结构的DV-Xa研究

采用原子基表示的第一原理赝势方法，计算了正极材料LiMn2O4的电子结构，发现LiMn2O4的价带主要是由Mn(8)和Mn(9)的3d轨道和O(7)、O(6)、O(4)的2p轨道构成，导带主要是由Mn(8)和Mn(9)的3d轨道和O(7)的2p轨道构成．通过计算Li5Mn2C0O8的电子结构，发现在LiMn2O4中用钴离子取代16d位锰离子将使电极材料的费米能减小，放电电压降低；锂离子的净电荷增大，锂离子与氧离子的相互作用增强，可逆容量降低；同时由于价带宽度变窄，Co-O键间的相互作用比Mn-O键间的相互作用强，所以，结构稳定性增加，电极循环性能改善．     

锂/钠混合离子电池正极材料Na2FePO4F/C的第一性原理研究

将锂/钠混合离子电池正极材料Na₂FePO₄F/C作为研究对象,建立Na₂FePO₄F、NaFePO₄F、NaLiFePO₄F、Na₂FePO₄F/C、NaFePO₄F/C、NaLiFePO₄F/C的结构模型,并依据第一性原理密度泛函理论,分析了这六种材料的能带、态密度、键长变化以及形成能.研究结果显示,相比于单一的Na₂FePO₄F,石墨烯包覆的Na₂FePO₄F的金属特性更良好,电子传输性质更优异,同时具有更加稳定的结构,这表明在电池长时间循环过程中,Na₂FePO₄F/C晶体结构不容易发生坍塌,容量衰减率更小,这为碳包覆改性制备复合正极材料提供了理论依据.     

稀土元素Gd掺杂BiFeO3的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的局域自旋密度近似加U法（LSDA+U:Hubbard参数）计算了多铁材料BiFeO3铁电相以及稀土元素Gd掺杂BiFeO3材料的能带结构、态密度（DOS）、原子轨道占据数和净电荷分布等,对稀土元素Gd掺杂BiFeO3可能引起的电子结构、介电常数和铁磁性的改变进行了第一性原理研究。计算结果表明：Gd掺杂对材料钙钛矿结构影响不大,BiFeO3铁电性主要来源于Fe原子3d轨道和O原子2p轨道杂化;掺杂Gd后材料中的Fe原子和O原子的共价性减弱,Bi原子和O原子的离子性增强,禁带宽度变窄,绝缘性减弱,铁磁性明显增强;计算得到的光学性质表明材料的静态介电常数有所增加。     

稀土La掺杂CrSi2电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法, 对稀土La掺杂CrSi2的几何结构, 电子结构和光学性质进行了计算与分析. 结果表明, La掺杂后, CrSi2的晶格常数a, b 和c均增大, 晶格体积增大. La掺杂导致费米面进入价带, 带隙明显变窄仅为0.07eV; 在费米面附近, La原子的5d层电子态密度只占总态密度很小的一部分, 而总态密度仍然由Si的3p层和Cr的3d层电子的分波态密度决定; La掺杂后CrSi2的静态介电常数ε1(0)由28.98增大为91.69, ε2(ω)的两个介电峰均向低能方向偏移且增强, 光学吸收边向低能方向移动, 吸收峰减小. 计算结果为CrSi2材料掺杂改性的实验研究提供了理论依据.     

稀土La掺杂CrSi_2电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对稀土La掺杂CrSi2的几何结构,电子结构和光学性质进行了计算与分析.结果表明,La掺杂后,CrSi2的晶格常数a,b和c均增大,晶格体积增大.La掺杂导致费米面进入价带,带隙明显变窄仅为0.07eV;在费米面附近,La原子的5d层电子态密度只占总态密度很小的一部分,而总态密度仍然由Si的3p层和Cr的3d层电子的分波态密度决定;La掺杂后CrSi2的静态介电常数ε1(0)由28.98增大为91.69,ε2(ω)的两个介电峰均向低能方向偏移且增强,光学吸收边向低能方向移动,吸收峰减小.计算结果为CrSi2材料掺杂改性的实验研究提供了理论依据.     

B-Al共掺杂3C-SiC的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,计算了未掺杂,B,Al单掺杂和B-Al共掺杂的3C-SiC的晶格参数、能带结构、态密度、有效质量、载流子浓度和电阻率. 计算结果表明：掺杂后导带和价带都向高能端移动,价带移动速度更快一些,使得禁带宽度都有一定程度的减小,其中B-Al共掺杂的禁带宽度最窄,纯净3C-SiC的禁带宽度最宽;B掺杂会减小价带顶空穴的有效质量,Al掺杂则反之,B-Al共掺杂补偿了二者的差异,和未掺杂的3C-SiC价带顶空穴的有效质量很接近. B和Al作为受主杂质,会极大地提高价带顶空穴载流子的浓度,而且B-Al共掺杂的3C-SiC的价带空穴浓度是B,Al单掺杂时的3倍. 4种体系中,B-Al共掺杂得到的电阻率是最低的,同单掺杂相比具有明显的性能优势. 关键词： 3C-SiC B-Al共掺杂 电阻率 第一性原理     

稀土元素Gd掺杂BiFeO3的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的局域自旋密度近似加U法（LSDA+U:Hubbard参数）计算了多铁材料BiFeO3铁电相以及稀土元素Gd掺杂BiFeO3材料的能带结构、态密度（DOS）、原子轨道占据数和净电荷分布等,对稀土元素Gd掺杂BiFeO3可能引起的电子结构、介电常数和铁磁性的改变进行了第一性原理研究。计算结果表明：Gd掺杂对材料钙钛矿结构影响不大,BiFeO3铁电性主要来源于Fe原子3d轨道和O原子2p轨道杂化;掺杂Gd后材料中的Fe原子和O原子的共价性减弱,Bi原子和O原子的离子性增强,禁带宽度变窄,绝缘性减弱,铁磁性明显增强;计算得到的光学性质表明材料的静态介电常数有所增加。     

稀土掺杂对LiFePO4性能影响的第一性原理研究

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...     

稀土掺杂金红石相TiO2的第一性原理的定性计算

稀土掺杂金红石相TiO2的禁带宽度(带隙)是影响其吸收波长的主要因素,其决定TiO2的光催化活性.利用第一性原理密度泛函理论(Ab initio DFT)得出17种稀土掺杂金红石相TiO2的能态密度(DOS),结果表明:除Lu、Y、Yb和Sc四种稀土增大金红石相TiO2带隙外,其余13种稀土均很大程度地降低金红石相TiO2的带隙.因此,稀土掺杂金红石相TiO2具有广阔的研究前景.