论文摘要
橄榄石型LiFePO4具有资源丰富、价格便宜、无毒、环境友好、热稳定性好、安全性高等优点,是最有希望取代LiCoO2成为动力电池最具发展潜力的正极材料。但较低的电导率和锂离子扩散系数阻碍了其商业化的发展。近年来,许多研究者主要通过掺杂、表面包覆、细化粒径等多种方法来改善其电导率及锂离子扩散系数。然而对于其微观的电子结构的研究较少,缺乏相应的理论支撑。本文首先从理论方面出发,运用Materials studio软件中CASTEP模块模拟出了LiFePO4及在铁位掺杂V、Mo、Mn元素和在氧位掺杂F元素的晶体模型,借助基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理超软赝势平面波方法计算了LiFePO4及其掺杂样品的能带结构、态密度等电子结构,总结掺杂前后电子结构的变化规律,得出结论;又从实验方面出发,通过分析电化学性能,对在理论方面得出的结论加以验证。通过计算表明LiFePO4是直接能隙的离子导体,并且其中的Li+相对独立自由,掺杂后体系均保持了单一的橄榄石结构,体系总能量均有所下降,除掺F后晶胞体积减小外,其余掺杂体系晶胞体积均增大。掺杂F后费米能级增大显著,且导带穿过费米面,故掺F后体系导电性提高。在电化学性能方面的研究表明氧位掺F后0.2C首次放电比容量为152.2mAh/g,较高于未掺杂及其它三种掺杂体系;通过循环伏安曲线可以看出掺F后电池的极化最小,可逆性和循环性较优于未掺杂及其它三种掺杂体系。经计算未掺杂及掺V、Mo、Mn、F后锂离子扩散系数依次分别为1.73×10-11cm2/s、5.26×10-11cm2/s、0.81×10-10cm2/s、9.77×10-11cm2/s及1.52×10-9cm2/s,故掺F后性能较好。
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摘要ABSTRACT第一章 绪论1.1 引言1.2 锂离子电池正极材料概述1.3 锂离子电池中相关物理问题1.3.1 载流子的输运问题1.3.2 嵌入物理问题1.3.3 相变原理问题1.3.4 渗流问题4）正极材料'>1.4 磷酸铁锂（LiFePO4）正极材料4 的结构及工作原理'>1.4.1 LiFePO4的结构及工作原理4 离子动力学'>1.4.2 LiFePO4离子动力学4 的改性'>1.4.3 LiFePO4的改性1.5 选题的目的及意义第二章 研究方法及实验2.1 第一性原理计算方法2.2 密度泛函理论简介2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理2.2.2 交换-关联相互作用2.3 超软赝势平面波方法2.4 结构优化2.5 量子化学计算软件2.6 实验方法2.6.1 实验药品和仪器2.6.2 样品的制备2.6.3 样品的检测与表征方法4中锂离子扩散的研究'>第三章 LiFePO4中锂离子扩散的研究3.1 计算模型及参数设置4 的计算模型'>3.1.1 LiFePO4的计算模型3.1.2 主要参数设置3.2 总能量3.3 能带及态密度分析3.4 原子的布居分析4/C 的锂离子扩散系数'>3.5 LiFePO4/C 的锂离子扩散系数3.6 本章小结4中锂离子的扩散及对电化学性能的影响'>第四章 掺杂LiFePO4中锂离子的扩散及对电化学性能的影响4.1 掺杂元素的选择4.2 结构优化与总能量4.3 能带结构与总态密度分析4.4 分态密度分析4.5 各掺杂体系的锂离子扩散系数及对放电容量的影响4.5.1 各掺杂体系材料的制备4.5.2 各掺杂体系材料的循环伏安曲线4.5.3 各掺杂体系材料的放电性能4.6 本章小结第五章 结论参考文献致谢
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