鋰離子電池正極材料稀土摻雜的理論研究.pdf

1、實(shí)驗(yàn)上通過稀土摻雜使鋰離子電池正極材料獲得了性能上的較大提升，但稀土元素在其中所起的作用還不清楚，因此需要從微觀本質(zhì)上進(jìn)行理解。本論文采用第一性原理計(jì)算方法，從微觀層面研究了鋰離子電池正極材料的稀土摻雜問題，分析了稀土摻雜對(duì)鋰離子電池正極材料物理特性的影響。
　　本論文涉及兩種常見的鋰離子電池正極材料：LiCoO2和LiMn2O4。分別研究了稀土摻雜前后LiCoO2和LiMn2O4的結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、鋰離子遷移等性質(zhì)。1）結(jié)構(gòu)方面，

2、稀土摻雜后，LiCoO2和LiMn2O4的晶格常數(shù)都增大了，這一結(jié)果解決了實(shí)驗(yàn)方面的定性矛盾（晶格常數(shù)增大還是減小）。2）電子結(jié)構(gòu)方面，摻雜后體系基本保持半導(dǎo)體性，但其帶隙變小，并在費(fèi)米能級(jí)附近出現(xiàn)了一些帶邊態(tài)。從某種程度上來說，這與實(shí)驗(yàn)中指出的稀土摻雜后正極材料的電子導(dǎo)電性有所提高相一致。3）鋰離子遷移方面，稀土摻雜后鋰離子遷移一方面受稀土離子引起的整體遷移通道的影響，另一方面受稀土離子產(chǎn)生的局部勢(shì)能面變化的影響。最終的遷移勢(shì)壘取決于

3、這兩個(gè)影響因素。我們完善了實(shí)驗(yàn)上給出的基于遷移通道大小的過于簡(jiǎn)單的影響機(jī)理。4）其他方面，我們研究了稀土摻雜前后LiMn2O4正極材料的力學(xué)性質(zhì)、脫鋰態(tài)及平均脫嵌鋰電位。結(jié)果表明：稀土摻雜后，LiMn2O4剛度減弱，且依然保持脆性；另外，脫嵌鋰過程中體積變化減緩，從某種程度上說明稀土摻雜能改善其循環(huán)性能；同時(shí)，稀土摻雜提高了LiMn2O4正極材料的平均脫嵌鋰電位，說明稀土摻雜能提高其能量密度。
　　總之，我們從理論上對(duì)稀土摻雜鋰離