Mn掺杂对Li4Ti5O12结构影响的第一性原理研究图文.docx
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Mn掺杂对Li4Ti5O12结构影响的第一性原理研究图文
重・l——黑龙江——
科技信总——科l技j论;坛
Mn掺杂对Li4Ti50心结构影响的
第一性原理研究
彭权
（江西师范大学物理与通信电子学院,江西南昌330022
摘要:
运用基于密度泛函理论的第一性原理计算了对I.i小,O。
:
体系进行”位掺杂后的各种属性,包括掺杂后的晶格参数,优化体积,体系总能以及嵌入电压等。
计算结果显示对体系掺入少量Mn原子会使体系体积收缩,并且会降低体系的平均嵌入电压、,更有趣的是,靠近Mn原子的八面体Ti06结构出现扭曲,且有发生了Jahn—Teller效应。
关键词:
锂离子电池负极材料;第一性原理;掺杂;嵌入电压
1概述
商品化的锂离子电池负极材料大多采用各种嵌锂碳材料。
碳材料存在一些缺点:
析出锂枝晶;首次充放电效率低;与电解液发生作用;存在明显的电压滞后;制备方法比较复杂I”。
与碳负极相比,合金类负极材料一般具有较高的比容量,但循环性能较差。
尖晶石型钛酸锂12I（Li4Ti,O。
:
具有明显的优势:
是一种零应变材料,循环性能好;有很好的充放电平台;理论比容量为175mAh幢实际比容量可达165mAh/g,并集中在平台区域;不与电解液反应;价格便宜,容易制备。
Li4Ti,O,:
与商品化的碳负极材料相比,更容易制备,成本更低。
尖晶石结构的Li4Ti,O。
是固溶家族Li,+xTi。
0。
:
（0≤x≤1的重要一员131,可以被用来做锂离子电池的负极材料。
通常这种材料工作时在脱锂态Li4Ti5（。
:
和嵌锂态“7Ti,0。
:
转换,提供一个1.5V（相对于金属Li的非常稳定的充放电平台141。
本文选择对Li4Ti50。
进行Ti位掺Mn,计算了掺锰后的各种属性,包括晶格参数,体积变化,平均嵌入电压等等。
2理论计算方法和计算模型
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法和超软赝势平面波方法对Li。
xTi50,:
（o≤X≤6的原子几何结构和电子结构进行了理论研究。
该文所有的计算都是用Viennaabinitiosimulationpackage程序包计算的,以下简称为（VASPt日。
我们在计算过程中,对Li4Ti,O,:
单胞进行了Ti位掺杂,掺入了一个Mn原子,构成Li4Ti。
Mn,O。
:
（x=O.357体系。
我们使用PAW—GGA方法,采用第一性原理赝势法,对Kohn—Sham方程能量泛函进行自洽求解。
在进
图1Ti位掺Mn后的Li4Ti5。
Mn。
O,2（x=O.357单胞弛豫后的原子结构图。
其中最大号球是锰原子,灰色大球为钛原子,黑色大球为氧原子,最小球为锂原子、,行能带结构计算之前,所有的晶格参数和晶胞
体积都进行了充分的驰豫,直到每个单胞上的
能量收敛于3X10飞V为止。
自洽迭代过程中
简约布里渊区中采用（3X3×3Monkhorst—Pack
问k网格,对费米能级采用高斯展宽,展开宽度
取为O.2eV。
截断能选取的是520eV。
在整个驰
豫过程中,原子位置、晶格参数及单胞体积等几
何结构都进行了完全驰豫,直到原子上的受力
收敛于0,05eV/X为止。
在整个计算过程中,没
有考虑自旋的影响。
3计算结果与分析
3.1晶格弛豫
表1掺杂后体系的晶格参数（A,优化体积
（A3以及总能（eV
晶格参数（A优化体积（A’总能（ev
“心5.xMm0128.3057231—441818
Li7Ti5{Mnx012819549.08—467.183
表l中列出了掺杂后经过弛豫计算得到
的晶格参数以及体系总能,可见Li4Ti5_,Mn。
O,:
（x=0.357优化后的晶格参数a=8.30A,优化体
积为572.3lA3,与Ref[19,201中的数据对比
发现,晶格发生了收缩;同样的情况发生在
Li7Ti。
Mnx0,2fx=O.357中,体积也有缩小。
图1为
掺了一个Mn原子的“4Tis-。
Mn,O。
:
单胞弛豫后
的原子结构图。
其中Ti一1为靠近Mn原子的Ti
原子,而Ti一2则为远离Mn原子的Ti原子。
我
们可以直观的发现靠近Mn原子的八面体TiO。
结构有少许扭曲,而远离Mn原子的八面体
TiO。
结构则保持规则的形状。
4结论
本文对Li4q、i,O.:
体系进行Ti位掺Mn,通
过第一性原理计算后发现,掺杂对Li4Ti,O。
:
体
系的结构、总能以及平均嵌入电压均有影响。
首
先,掺Mn使得品格收缩,掺杂后Li4Ti。
Mn,O.:
和Li7Ti。
Mn,O。
:
的晶格常数分别为8.30A和
8.19A。
参考文献
f11HuaLanYangXiao-yan,andKangShi—lin
elal掺杂1,Jjri,1。
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性质【J】.ActaPhys.Sin,2003,54:
4.
（上接325页面为外墙的内外侧面。
在混凝
土获得一定强度后,松开对销螺栓,使得模板与混
凝土界面可以蓄水,带模养护,规定20d拆模。
继续养护:
模板拆除后,继续对外墙混凝土
浇水养护15d。
6几点体会
达连河金三角商住楼地下室工程完成后,基
础大体积混凝土表面和外墙混凝土表面均无明显
裂缝出现,达到了预期目的。
6_1泵送商品混凝土施工的地下室外墙易出
现收缩裂缝,但只要措施得当,还是可以避免或得
以控制的。
关键在于鼯保证混凝土强度的前提
下,尽可能降低每m3混凝土的水泥用量。
∞烬可
能将墙板的水平钢筋置于混凝土外侧,控制}昆凝
土保护层厚度不得超厚,水平钢筋的问距尽可能
小于150mm。
@严格控制混凝土坍落度,绝不允许
现场加水。
（由建议尽可能延长拆模时间,浇水养护
时间应大于30d。
62基础大体积混凝土施工控制表面温度裂
缝的产生,首先应从选定混凝土配合比人手。
只要
对掺合料、缓凝减水剂等选择合适,通过试配完全
可以大大降低每m3混凝土的水泥用量,降低混凝
土的最高绝热温升,从根本上解决升温阶段的裂
缝产生。
6.3掺加高性能磨细矿粉能有效地降低每m3
混凝土的水泥用量,其陛能优于粉煤灰。
6.4对基础大体积混凝t而言,养护措施极为
重要,应根据施工时的气温、测温睛况,采取相应
的养护方法。
布置合理的测温手段是必不可少的,
可以为养护提供凋整依据。
6.5掺加UEA—H高效微膨胀剂对混凝土能
起到补偿收缩作用,可有效地提高混凝土的抗裂
缝抗渗能力。
责任编辑:
王兴红
-54-万方数据
Mn掺杂对Li4Ti5O12结构影响的第一性原理研究
作者:
彭权
作者单位:
江西师范大学物理与通信电子学院,江西,南昌,330022
刊名:
黑龙江科技信息
英文刊名:
HEILONGJIANGSCIENCEANDTECHNOLOGYINFORMATION
年,卷（期:
2009,""（29
被引用次数:
0次
参考文献（6条
1.HuaLanYang.Xiao-yan.KangShi-lin掺杂Li4Ti5I12作为锂离电子池负极材料[期刊论文]-电池2001（05
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4.EFerg.RJGummov.AKoch.M.M.ThackeraySpinelAnodesforLithium-IonBatteries1994
5.KresseG.HafnerJAbinitiomodeculardynamicsforliquid.metals1993
6.王贵春.袁建民Cu低维体系的结构核电子性质2003
相似文献（10条
1.学位论文钟志勇锂离子电池负极材料Li<,4>Ti<,5>O<,12>的第一性原理研究2009
基于密度泛函理论,本文采用第一性原理超软赝势方法结合广义梯度近似方法研究了以下三个方面的问题:
一、对锂离子电池负极材料Li4Ti5O12的体相原子几何结构和电子结构进行了理论研究。
给出了其结构、态密度、电荷密度分布及能带结构等。
此项工作一方面是为了获得Li4Ti5O12的理论晶格常数,另一方面,通过与其他的理论和试验方法做比较,从而验证我们使用的PAW+GGA方法的合理性。
结果证实本论文的计算结果和其他理论、实验结果均符合的很好。
二、利用第一性原理对锂离子电池负极材料Li4Ti5O12的富锂体系Li4+xTi5O4的电子结构及局域结构进行了详细的研究,同时也详细的计算及分析了体系的总态密度和分波态密度,结果表明Li4Ti5O12可以持续嵌锂到Li8.5Ti5O12态,相对与常规的Li7Ti5O12嵌锂态,其理论容量提高到1.5倍。
三、利用基于密度泛函理论的第一性原理方法对Li4Ti5O12体系的（100、（110和（111三种表面进行了模拟计算。
结果表明,（100表面是最稳定的终端,此外,表面层的钛原子的态密度与相应体相的钛原子的态密度不同,而内层钛原子的态密度与体相的相似。
2.学位论文侯柱锋锂离子电池负极材料的Li嵌入性质的从头计算2004
锂离子电池与传统的二次电池相比保持了电压高、能量密度大、重量轻,又具有安全性能好、自放电小等优点,使之在便携电子设备以及电动汽车等方面有广阔的应用前景。
开发锂离子电池的关键之一就是寻找合适的电极材料,使电池具有足够高的储锂量和很好的锂脱嵌可逆性,以保证电池的高电压、大容量和长循环寿命的要求。
在应用中,大多以石墨和各种碳材料作为负极材料,但是碳负极材料存在一些自身的缺点。
为了寻找性能更高的负极材料,许多新型的锂离子负极材料特别是金属间化合物在近来的锂离子电池研究中引起了相当的重视。
尽管近年来采用第一性原理对锂离子电极材料的理论研究取得了一些成功,但是大多集中于正极材料,对锂离子电池负极材料的理论研究并不多见。
为此,我们采用第一性原理对目前一些新型的负极材料金属间化合物的锂嵌入性质进行了理论研究,重点研究了负极材料在首次充放电过程中锂嵌入负极材料时的锂嵌入形成能,以及锂的嵌入对负极材料体积和电子结构的影响。
并与已有的实验结果进行比较,以期为锂离子电池负极材料的研究提供了一些有意义的理论指导。
本论文可分为两部分。
第一部分介绍了研究工作所涉及的基本理论和第一原理方法。
3.期刊论文黄钊文.胡社军.侯贤华.李伟善.HUANGZhao-Wen.HUShe-jun.HOUXian-hua.LIWei-shan锂离子电池负极材料Sn-Co合金的研究进展-电池工业2008,13（4
从理论计算和实验研究两个方面综述了Sn-Co合金作为锂电池负极材料的发展现状.在理论方面采用MaterialStudio4.1软件研究了Sn-Co合金各种稳定相结构的物理性质和电化学性质.在实验方面综合介绍并比较了电化学沉积、机械球磨、固相还原和溶剂热法等几种薄膜制备方法的优缺点.并指出了Sn-Co舍金负极材料存在的问题及发展前景.
4.学位论文颜剑第一性原理方法研究铝基金属间化合物的嵌锂机理2006
本论文在国家自然科学基金项目“原位X射线衍射法研究铝基金属间化合物锂化反应机制”（项目批准号:
50371103的资助下,采用第一原理从热力学角度计算分析了A1、Al<,2>Cu、AlSb用作锂离子电池负极材料时可能发生的电化学反应,同时采用XRD,SEM及恒电流充放电等方法研究了铝及铝基金属间化合物的嵌脱锂性能及其组织结构变化,探讨了其锂化反应机制,得出了如下的结论:
1.热力学计算表明锂嵌入到纯铝负极时最易发生的锂化反应为Li+Al→LiAl,与实验测试的电化学性能和组织结构分析结果相吻合。
通过实验发现控制嵌锂容量,可以提高充放电效率,从而改善因体积膨胀而导致的充放电效率低的问题。
2.锂与金属间化合物Al<,2>Cu发生的电化学反应可能存在5种形式,其中最易发生的锂化反应为Li+Al<,2>Cu→LiAl+AlCu。
Al<,2>Cu与金属锂对电极组成的纽扣电泄的电化学性能测试和组织结构分析结果进一步确认了Al<,2>Cu电极材料的这一锂化反应机理。
3.通过对比锂嵌入AlSb电极的电压vs质量比容量的理论计算曲线图与实验曲线图,发现当锂在嵌入到AlSb的晶体结构时,首先占据的是其中的间隙位置,然后随着嵌锂容量的增加,当占据完全部间隙位置后,锂可以进一步取代AlSb中A1从而形成富锂相Li3Sb。
同时研究还发现,锂嵌入到AlSb间隙位置时所引起的体积膨胀率较小,这对提高铝基金属间化合物电极的充放电效率和循环性能是非常有益的。
通过分析锂嵌入AlSb前后的能带结构图和态密度图的变化,发现AlSb的导电性能首先随嵌锂容量的增加而增加,当锂占据AlSb所有间隙位置后达到峰值。
随嵌锂容量的进一步增加而发生锂取代Al时,AlSb电极的导电性能则随之降低。
本文的理论计算结果与实验事实基本吻合,表明第一性原理计算方法可以用来预测锂离子电池用负极材料金属间化合物的锂化反应机理,从而为寻找性能更优的电极材料提供理论指导。
5.会议论文余洪文.胡社军.侯贤华.汝强.李伟善锂离子电池AlSn合金负极材料的Li嵌入性质的研究2007
基于密度泛函理论,采用第一性原理平面波赝势法计算了以AlSn合金作为锂离子电池负极材料在Li嵌入时的晶胞体积膨胀率、平均嵌锂电位、平均嵌锂形成能及相应的电子结构等性质。
计算得出AlSn合金负极的平均嵌锂电位在2.0-2.59V。
6.学位论文蔡娜丽锂离子电池负极材料Li<,2.5>Cu<,0.5>N的Li脱嵌性质的从头计算2006
锂离子电池由于具有高电压、高能量密度、自放电小、循环寿命长、无污染和无记忆效应等优点,已广泛应用于移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等电器设备上,在电动汽车、航天航空、卫星、空间军事等领域也显示出了良好的应用前景。
但是目前锂离子电池的性能仍有很大的提高空间。
关健在于寻找合适的电极材料,使得锂离子电池具有足够高的储锂量和很好的锂脱嵌可逆性,以保证电池的高电压、大容量和长循环寿命的要求。
目前商业化的锂离子电池的负极材料主要是石墨和其它各种碳材料,但由于碳负极材料存在一些自身的缺点,因此寻找性能更高的负极材料成为锂离子电池研究的重要方面,许多新型的负极材料特别是过渡金属氮化物尤其受到关注。
我们采用第一原理的从头计算方法,对氮化锂及其衍生物锂的过渡金属氮化物Li2.5Cu0.5N的电子结构和几何结构进行了理论计算和分析,对
Li2.5Cu0.5N作为锂离子电池负极材料的锂脱嵌性质进行了计算,对锂从此材料中脱出所导致的电子结构的变化和几何结构的变化提供了比较完整的基本理论数据,以期为此类负极材料的进一步的研究提供理论指导。
本论文可分为两部分。
第一部分包括第一章和第二章,第一章介绍了锂离子电池的工作原理,及其主要材料的性质和特点。
第二章介绍了研究工作所涉及的基本理论和方法,包括密度泛函理论的基本思想、Hobenberg-Kohn定理、Kohn-Sham方程和交换关联近似（包括局域密度近似和广泛梯度近似等。
也介绍了本研究工作中所采用的具体的电子结构计算方法,即基于平面波展开的第一性原理赝势法。
并对本研究工作所采用的计算工具VASP程序包进行简要的介绍。
第二部分包括第三章和第四章,分别对Li3N的几何结构和电子结构、Li3N的脱锂结构稳定性、Li2.5Cu0.5N的电子结构和几何结构、Li2.5Cu0.5N的脱锂性质进行理论计算和分析。
第三章计算了氮化锂在D16h、D03、A15、DO19、L12这五种可能结构下的能量一体积相图,对这几种结构下的氮化锂脱去一定量的锂后所得到的材料的能量一体积相图也进行了计算。
结果表明,对于Li3N完整晶体,D16h结构是最稳定的,计算得到晶格常数为
a=3.62（A,c=3.91（A,c/a=1.078。
在这五种结构下使用超原胞Li12N4对脱去一个锂原子进行计算的结果显示,最稳定的结构由D16h结构变为D03结构,表明Li3N脱锂的结构稳定性差。
正由于Li3N完整晶体的脱锂结构稳定性差,故可以通过Cu的替代得到Li2.5Cu0.5N,其结构稳定性将变好。
所以,第四章中我们研究Li2.5Cu0.5N材料,计算了各种脱锂量下的Li脱嵌形成能以及材料的体积变化等性质,也讨论了脱锂前后材料的电荷密度,电子状态密度等电子性质。
计算结果表明,LiN层的锂比LiCu层的锂更容易脱去。
随脱锂量的变化,锂脱嵌形成能在-2.72eV~-4.08eV附近。
当脱锂量大于40%时,材料的体积明显缩小,脱锂量最大时材料的体积减少约16%。
从电荷密度分布看,锂的脱嵌对材料的电子分布造成的影响较大。
从态密度变化看,锂的脱去使得材料的导电能力增强。
7.期刊论文LiuHui-Ying.朱梓忠.YangYong.LiuHui-Ying.ZhuZi-Zhong.YangYongLi嵌入Mg2Ge的反应次序和
电子结构变化-物理学报2008,57（8
Mg2Ge有望成为新的锂离子电池负极材料.使用基于平面波展开的第一性原理赝势法,计算并得到了Li嵌入Mg2Ge负极材料时的反应次序.Li首先占据其中的间隙位置,占满间隙位置后随着嵌Li量的进一步增加,Li将逐步替位Mg2Ge中一半的Mg位置,直到生成Li2MgGe.计算结果表明,在整个嵌Li过程中主体材料的体积先膨胀后收缩.体积胀缩量很大,这是导致Mg2Ge作为锂离子电池电极材料循环性能较差的重要原因.对材料电子结构的分析表明,随着Li嵌入量的增加,主体材料发生了从半导体性到金属性、又到半金属性的转化.
8.学位论文余洪文新型锡铝合金电极的第一性原理计算与电化学性能研究2009
本文采用两种嵌锂活性材料Sn和Al,选择合适的原子比形成的Sn—Al固溶体合金作为电极,利用固溶强化思路及铝合金优良的力学性能设计出一种Sn—Al固溶体合金负极。
此外,采用溅射方法使得薄膜与基体一体化,进一步优化电极结构,改善电极性能。
结果表明,设计出的Sn—Al合金电极具有较高的嵌锂容量和较好的循环性能。
本文在把握总体设计思路的前提下,先从理论上采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法分别计算了纯Sn及Sn—Al合金的电子结构、电子态密度、电荷密度分布等物理性质,并计算了其嵌锂形成能,平均嵌锂电位,嵌锂体积膨胀率等电化学参量。
理论结果表明,Sn—Al固溶体合金负极具有较优的电化学性能。
针对理论计算结果,采用磁控溅射方法制备了纯Sn及Sn—Al固溶体合金薄膜电极。
结果表明,实验结果与理论计算结果能较好的吻合。
对比纯Sn及Sn—Al薄膜电极相关的电化学测试结果,发现铝的加入对于纯锡电极的改性有较大帮助。
另外,本文采用理论计算和实验相结合的研究思路,可以在一定的程度上预测新材料的物理及化学性质,对设计和研究新型锂离子电池电极材料具有一定的指导意义。
9.期刊论文锂离子电池负极材料Li4Ti5O12的研究评述-电池工业2009,14（5
与碳负极材料相比,Li4Ti5O12具有较好的电化学稳定性和安全性,成为动力锂离子电池的热门负极材料.综述了近年来Li4Ti5O12负极材料的合成、掺杂改性、应用及其第一性原理计算的研究现状,重点对Li4Ti5O12负极材料的结构及其电化学性能进行了总结和探讨,并对Li4Ti5O12负极材料的发展前景进行了展望.
10.学位论文石璐锡和锡钛嵌锂薄膜材料的直流溅射制备及电化学性能研究2008
当今世界上主要使用的能源是以煤炭、石油、天然气为主的化石能源,但化石能源存在的污染大、破坏生态环境等问题,使得开发绿色无污染的新型高能化学电源成为研究热点。
由于目前锂离子电池的商用负极材料已不能满足实际需求,对高比容量、高稳定性、高安全性、长寿命、低成本的新型锂离子电池负极材料的开发已显得迫不容缓。
本文在综合评述了锂离子电池及其负极材料研究进展的基础上,选取锡（Sn基负极材料作为研究对象,创新性的采用真空溅射技术在铜箔基片上制备了不同工艺参数的Sn、Sn/Ti和Ti/Sn复合膜。
采用X射线衍射（XRD、扫描电子显微镜（SEM、电感耦合等离子体发射光谱（ICP等设备和技术,以及循环伏安（CV、恒电流充放电等电化学测试方法,研究了制备方法、工艺参数对Sn、Sn/Ti和Ti/Sn复合膜的形貌、成份、相结构及电化学性能等的影响,为利用真空溅射技术开发新型的锡基薄膜负极材料提供了理论依据和关键制备技术。
研究了溅射功率对直流溅射Sn薄膜沉积速率、微结构及电化学性能的影响。
结果表明,功率与沉积速率存在近似线性关系。
随着溅射功率的增加
薄膜的晶化加剧,晶粒粗化;当功率达24W时,锡铜相互扩散生成CuSn合金相。
16W功率下制备的Sn薄膜电极具有最优的电化学性能:
首次循环效率达82.2%,30次循环后比容量维持在300mAh/g。
研究了溅射时间对Sn薄膜微结构的影响,随着时间的增加,Sn薄膜晶化程度逐渐加剧,颗粒不断增大。
当沉积时间达20分钟时,Sn颗粒的棱角收缩,使表面颗粒存在球形化趋势,从而使Sn薄膜电极具有最优的循环性能。
研究了复合金属钛对Sn薄膜表面形貌和电化学性能的影响。
制备了Sn/Ti和Ti/Sn复合膜,研究了复合薄膜的表面形貌、成份及锂离子嵌脱行为,分析了Sn/Ti和Ti/Sn复合膜电极的容量衰减机理以及加入Ti后的作用机制。
研究发现,金属Sn和Ti的溅射顺序对性能有极大影响,先溅射Sn的Sn/Ti复合膜具有较佳的电化学性能。
从整体上说,金属Ti的引入大大地改善了Sn/Ti复合膜的锂离子嵌脱行为。
Sn/Ti复合膜电极的首次放电容量为896.1mAh/g,第2次循环时放电容量为827.9mAh/g,容量损失仅为7.58%,远远小于Ti/Sn复合膜电极的容量损失。
电极第3次循环的放电容量为788.5mAh/g,到第12次循环时其放电容量达到最低值749.1mAh/g,随后其放电容量开始缓慢增加,到第50次循环时达到777.8mAh/g。
从第3次到第50次循环,Sn/Ti复合膜电极组装的电池几乎没有容量损失,Sn/Ti复合膜电极组装电池的电化学性能远优于Ti/Sn复合膜和纯Sn电极。
Sn/Ti复合膜电极的首次充放电容量为875.8mAh/g,从第2次到第20次循环仅有27%的容量损失,远远小于Ti/Sn复合膜电极的容量损失。
对比Sn薄膜20次循环后300mAh/g左右的充放电容量,有了29%的性能提升。
最后,本文简要介绍了密度泛函理论的基本原理,并采用基于密度泛函理论的第一性原
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