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LiMnO2体系结构与性能的第一性原理研究

2020-11-22阅读(734)

LiMnO2体系结构与性能的第一性原理研究

论文摘要

本论文采用第一性原理超软赝势平面波法研究了锂离子电池正极材料LiMnO2体系在不同晶体结构与化学组分下的电子结构与性能,为理解该材料的状态与性质、指导该材料的合成与改性提供了一些有价值的成果。对菱方LiMnO2的研究发现其中的Mn3+离子以非寻常的低自旋态形式存在,这是该材料的纯相结构尚未成功制备的主要原因,也使该材料可能具有半金属特性而应用于自旋电子学领域。遵循理论预测出的合成途径,成功制备出了Cr掺杂的菱方LiMnO2,并由磁性实验证实了Mn3+离子的低自旋态。通过对单斜LiMnO2体系的研究,揭示出了:抑制Jahn-Teller畸变的方法;Al掺杂能提高结构稳定性、改善电化学循环性能的主要机制;纯相结构的电化学循环容量极易大幅衰减的主要原因;比传统的几何失措机制更能合理、透彻地解释该材料在低温时表现出的自旋玻璃态等复杂磁性的反铁磁相互作用和铁磁相互作用之间的竞争机制。正交LiMnO2的复杂磁性也是反铁磁相互作用和铁磁相互作用共同存在、一起竞争的结果。通过对Li+离子脱出效应的研究,还发现了:该材料脱锂结构的半金属特性,从而为寻找自旋电子学材料发现了“电化学脱锂”这条可能的新途径;该材料不具有良好电化学活性的主要原因;以及Li+离子脱出为该材料转变为电化学活性更高的类尖晶石相所打开的Mn离子迁移通道。

论文目录

  • 第一章 绪论
  • 1.1 锂离子电池的结构与工作原理
  • 1.1.1 锂离子电池的结构
  • 1.1.2 锂离子电池的工作原理
  • 1.1.3 决定锂离子电池性能的主要因素
  • 1.2 锂离子电池正极材料概述
  • 1.2.2 二维锂离子通道正极材料
  • 1.2.3 三维锂离子通道正极材料
  • 1.3 本论文工作的研究内容与意义
  • 2的三种晶体结构'>1.3.1 LiMnO2的三种晶体结构
  • 1.3.2 研究内容的提出
  • 1.3.3 理论计算研究的意义与作用
  • 参考文献
  • 第二章 电子结构计算方法概述
  • 2.1 第一性原理计算方法概述
  • 2.1.1 基本概念
  • 2.1.2 基本思路
  • 2.1.3 基本近似
  • 2.1.4 应用领域
  • 2.2 密度泛函理论简介
  • 2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理
  • 2.2.2 Kohn-Sham 方程
  • 2.2.3 交换关联能泛函的求解方案
  • 2.3 密度泛函理论的发展
  • 2.4 密度泛函理论的数值计算方法
  • 2.4.1 线性组合原子轨道（LCAO）法
  • 2.4.2 超软赝势平面波（USPPW）法
  • 2.4.3 线性缀加平面波（LAPW）法
  • 2.4.4 各种方法小结及其它方法
  • 2.5 常用的量子力学计算软件
  • 参考文献
  • 2的电子结构与性能'>第三章 菱方LIMNO2的电子结构与性能
  • 3.1 计算方法、参数设置与步骤
  • 3.1.1 设置计算参数
  • 3.1.2 构建晶体模型
  • 3.1.3 几何结构优化
  • 3.1.4 总能量和电子结构计算
  • 3.2 化学键接与能带结构的关系
  • 3.2.1 能级与原子轨道的对应关系
  • 3.2.2 影响能带特征的化学键因素
  • 3.3 不寻常的低自旋基态
  • 3.3.1 理论判断
  • 3.3.2 获得菱方结构的方法建议
  • 3.3.3 性质预测
  • 3.3.4 掺杂实验证明
  • 3.4 本章小结
  • 参考文献
  • 2的电子结构与性能'>第四章 单斜LIMNO2的电子结构与性能
  • 4.1 结构中的JAHN-TELLER 效应
  • 4.1.1 Jahn-Teller 畸变的根源
  • 4.1.2 Jahn-Teller 畸变的原理与转变温度
  • 2 的两种层状结构之间的关系'>4.1.3 LiMnO2的两种层状结构之间的关系
  • 4.1.4 能带和态密度
  • 4.1.5 Mulliken 密度分析
  • 4.2 AL 掺杂的稳定效应
  • 4.2.1 计算方法和几何优化结果分析
  • 4.2.2 Mulliken 密度分析
  • 4.2.3 总态密度分析
  • 4.2.4 部分态密度分析
  • 4.2.5 总能量分析与小结
  • 4.3 LI 离子的脱出效应
  • 4.3.1 对晶体结构的影响
  • 4.3.2 对Mn 离子氧化态的影响
  • 4.3.3 对能带和态密度的影响
  • 4.4 共存的反铁磁与铁磁相互作用
  • 4.4.1 判断依据
  • 4.4.2 对复杂磁性质的解释
  • 4.5 本章小结
  • 参考文献
  • 2的电子结构与性能'>第五章 正交LIMNO2的电子结构与性能
  • 5.1 纯相的电子结构与性能
  • 5.1.1 Mn 离子的自旋态
  • 5.1.2 Mulliken 密度和电子结构分析
  • 5.2 LI 离子的脱出效应
  • 5.2.1 化学效应
  • 5.2.2 结构效应
  • 5.3 自旋玻璃态的本质
  • 5.3.1 复杂的反铁磁磁晶胞
  • 5.3.2 共存的反铁磁与铁磁相互作用
  • 5.4 本章小结
  • 参考文献
  • 攻博期间已发表和待发表的学术论文
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 致谢

    • 相关论文文献

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