掺杂对硅酸盐类正极材料Li2MSiO4(M=Mn,Fe)性能影响的理论研究

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Li2MSiO4(M=Mn,Fe)正极材料因具有较高的理论比容量、结构稳定、对环境友好等特点成为研究的重点,但Li2Mn SiO4较差的结构循环稳定性和Li2Fe SiO4较低的实际放电比容量阻碍了其推广应用。本文采用第一性原理计算方法系统地研究了S,N,F,Cl掺杂和Ge-S(F)共掺杂对Li2MSiO4(M=Mn,Fe)结构循环稳定性、电化学性和导电性的影响,详细讨论了体系脱锂过程中Li和M位置交换的情况,阐明了掺杂对Li2MSiO4(M=Mn,Fe)性能的影响机制。在Li2MnSiO4体系中,计算结果表明S,N,F,Cl掺杂和Ge-S(F)共掺杂体系在脱锂过程中均存在Li和Mn的位置交换。力学性能(模量比、泊松比、杨氏模量、德拜温度)结果表明S,N,F掺杂和Ge-S(F)共掺杂不仅提高了Li2Mn SiO4的韧性,还促进了Li+的迁移。位置交换的S、F掺杂和Ge-S(F)共掺杂体系一次脱锂时的体积变化率均小于Li Mn SiO4的体积变化率,表明S、F掺杂和Ge-S(F)共掺杂有利于提高Li2Mn SiO4的结构循环稳定性,尤其是Ge-S共掺杂体系在整个脱锂过程中体积变化率都很小,表明Ge-S共掺杂体系具有很好的结构循环稳定性。此外,S,N,F,Cl掺杂和Ge-S(F)共掺杂均降低了Li2Mn SiO4脱锂过程中的理论平均脱嵌电压。态密度结果表明S,N,F,Cl掺杂和Ge-S(F)共掺杂均增强了Li2Mn SiO4的导电性,尤其是N,F和Ge-F掺杂体系具有半金属性。磁矩和电子结构分析表明S,F,Cl掺杂和Ge-S(F)共掺杂都能够延迟体系中Jahn-Teller效应的出现,有利于Li2Mn SiO4结构循环稳定性的提高,从而使体系脱出更多的锂离子,其中位置交换的S掺杂及Ge-F共掺杂效果最好。在Li2FeSiO4体系中,计算结果表明Li2Fe SiO4及S,N,F,Cl掺杂和Ge-S(F)共掺杂体系在脱锂过程中均发生了Li和Fe的位置交换。力学性能结果显示S,N,F,Cl掺杂和Ge-S(F)共掺杂体系均具有较好的韧性,其中F掺杂和Ge-S(F)共掺杂提高了Li2Fe SiO4的韧性,同时F,Cl掺杂和Ge-S(F)共掺杂有利于促进体系中Li+的迁移。如果不考虑位置交换,S,F掺杂均减小了Li2Fe SiO4脱锂过程中的体积变化率,而Li和Fe位置交换则增大了其体积变化率,表明Li和Fe位置交换降低了体系的结构循环稳定性。值得注意的是Ge-F共掺杂体系在脱锂过程中一直保持着比Li2Fe SiO4更小的体积变化率,有利于提高结构循环稳定性。此外,F,Cl掺杂和Ge-S(F)共掺杂均能降低Li2Fe SiO4整个脱锂过程中的理论平均脱嵌电压,其中Li和Fe位置交换体系在一次脱锂时降低得更明显。态密度结果表明S,N,F,Cl掺杂和Ge-S(F)共掺杂均增强了体系的导电性。磁矩和电子结构分析表明除N掺杂外,其余掺杂均有利于Li2Fe SiO4体系脱出更多的锂离子,尤其是Ge-F共掺杂体系有可能实现完全脱锂。
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