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Na^+替位掺杂对Li2MnSiO4的电子结构以及Li^+迁移过程的影响
  • ISSN号:1000-3290
  • 期刊名称:《物理学报》
  • 时间:0
  • 分类:O613.71[理学—无机化学;理学—化学]
  • 作者机构:[1]西南交通大学物理科学与技术学院,成都610031, [2]西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室,成都610031
  • 相关基金:国家自然科学基金(批准号:11174237,11404268); 四川省应用基础项目(批准号:2013JY0035); 中央高校基本科研业务费(批准号:2682014ZT30,2682015QM04)资助的课题
中文摘要:

在锂二次电池中,硅酸锰锂作为正极材料得到广泛研究,但其固有的电子和离子电导率较低,直接影响着电池的功率密度和充放电速率.本文建立了不同浓度的Na^+离子替位掺杂Li^+离子形成的Li1-xNaxMnSiO4(X=0,0.125,0.25,0.5)结构,采用第一性原理的方法,研究了掺杂前后硅酸锰锂的电子结构以及Li^+离子的跃迁势垒.发现在Li^+位替代掺杂Na^+,导带底的能级向低能方向发生移动,降低了Li2MnSiO4材料的禁带宽度,有利于提升材料的电子导电性能.随着掺杂浓度的升高,禁带宽度逐渐变窄.CI-NEB结果表明,在Li2MnSiO4体系中具有两条有效的Li^+离子迁移通道,掺杂Na^+以后扩大了Li^+离子在[100]晶向上的迁移通道,Li^+离子的跃迁势垒由0.64 eV降低为0.48,0.52和0.55 eV.掺杂浓度为x=0.125时,离子迁移效果最佳.研究表明Na^+掺杂有利于提高Li2MnSiO4材料的离子和电子电导率.

英文摘要:

With the developments of electric vehicles,the portable electronics and the large-scale storage systems,the research of the Li-ion rechargeable battery has focused on its high gravimetric and volumetric capacity.As a potential cathode,the Li2MnSiO4 structure has been intensively studied,in which two lithium ions of per formula unit(f.u.) can be extracted,and it exhibits a high theoretical capacity of about 330 mAh/g.However the low intrinsic electron conductivity and the slow lithium diffusion prevent its further development.In this paper,we build three structures with different Na^+doping concentrations in Pmn21 symmetric Li2MnSiO4,the electronic properties and Li^+ ion diffusion behavior are studied by using the first principle and considering the transition barrier of the Mn-3d.Within the GGA+U scheme,the pure Li2MnSiO4 structure is semiconducting with a large band gap(3.28 eV),which is primarily derived from Mn-3d and O-2p states.Because lithium and sodium ions in the same main group have similar chemical properties,all the doped Li2-xNaxMnSiO4(x=0.125,0.25,0.5) are still semiconducting with the analogous densities of state(DOSs) to the pure Li2MnSiO4,however the band gaps reduce to 3.23 eV,3.19 eV and 3.08 eV,respectively.Thus Na^+ substitution can improve the electron conductivity.In Li2MnSiO4,the Li^+ ions have two major diffusion channels predicted by the climbing image-nudged elastic band(CI-NEB) method.Channel A is along the α-direction[100],and channel B is in the bc plane with a zigzag trajectory.In the migration process,each of all the structures has only one migration pathway of Li ions.In the doped structures,the volumes of the crystal structures are increased by 1.40%,2.65% and 5.25% for Li2-xNaxMnSiO4(x=0.125,0.25,0.5),and thus enlarge the hopping distances.Along channel A,the longer Li O bond makes the ionic diffusion channel wider,therefore Li2-xNaxMnSiO4(x=0.125,0.25,0.5) have lower activation barriers of 0.48,0.52 and 0.55 eV than the pure Li2MnSiO4(0.

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期刊信息
  • 《物理学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国物理学会 中国科学院物理研究所
  • 主编:欧阳钟灿
  • 地址:北京603信箱(中国科学院物理研究所)
  • 邮编:100190
  • 邮箱:apsoffice@iphy.ac.cn
  • 电话:010-82649026
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-3290
  • 国内统一刊号:ISSN:11-1958/O4
  • 邮发代号:2-425
  • 获奖情况:
  • 1999年首届国家期刊奖,2000年中科院优秀期刊特等奖,2001年科技期刊最高方阵队双高期刊居中国期刊第12位
  • 国内外数据库收录:
  • 美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:49876