First-principles Study on Metal-doped LiNi0.5Mn1.5O4as a Cathode Material for Rechargeable Li-Ion Batteries

ACTA CHIMICA SINICA 锂离子电池正极材料 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 金属掺杂的第一性原理研究 杨思七 张天然 陶占良 陈军 * (南开大学化学学院先进能源材料化学教育部重点实验室 天津 300071) 摘要 近来尖晶石相 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 被认为是一种有前景的二次锂离子电池正极材料.但是其相对较差的循环性能和倍 率性能限制了 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 的大规模应用.金属掺杂被认为是一种提高其电化学性能的有效方法. 然而, 还急需深层 次地理解掺杂对材料结构和电化学性质的影响. 采用第一性原理方法, 系统地研究了金属掺杂的 LiM 0.125 Ni 0.375 Mn 1.5 O 4 (M 为 Cr, Fe 和 Co)电极体系的结构与电子性质.计算结果显示, 少量的过渡金属 M 取代 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 晶格中的 Ni, 能 够有效抑制材料在电化学脱嵌锂过程中的体积变化(从锂化相到脱锂相, 体积变化率约为 4%, 而未掺杂的情况为 4.7%), 提高材料循环性能.体系态密度表明金属掺杂能够减小体系的带隙, 进而提高材料的电子传导.另外, 通过 Li 离子的扩散计算, 我们发现与未掺杂的 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 相比, Co 掺杂使得 Li 在材料中两条不同扩散路径的扩散能垒分别 降低了约 90 meV 和 140 meV, 表明 Co 掺杂有利于 Li 在材料中的快速扩散.关键词 第一性原理; 尖晶石相 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ; 掺杂; 体积变化率; 锂扩散能垒