Unraveling the effects of inter-site Hubbard interactions in spinel Li-ion cathode materials

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作者
Iurii Timrov,Michele Kotiuga,Nicola Marzari
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:25 (13): 9061-9072 被引量:11
标识
DOI:10.1039/d3cp00419h
摘要

Accurate first-principles predictions of the structural, electronic, magnetic, and electrochemical properties of cathode materials can be key in the design of novel efficient Li-ion batteries. Spinel-type cathode materials Li$_x$Mn$_2$O$_4$ and Li$_x$Mn$_{1.5}$Ni$_{0.5}$O$_4$ are promising candidates for Li-ion battery technologies, but they present serious challenges when it comes to their first-principles modeling. Here, we use density-functional theory with extended Hubbard functionals - DFT+$U$+$V$ with on-site $U$ and inter-site $V$ Hubbard interactions - to study the properties of these transition-metal oxides. The Hubbard parameters are computed from first-principles using density-functional perturbation theory. We show that while $U$ is crucial to obtain the right trends in properties of these materials, $V$ is essential for a quantitative description of the structural and electronic properties, as well as the Li-intercalation voltages. This work paves the way for reliable first-principles studies of other families of cathode materials without relying on empirical fitting or calibration procedures.
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