Structural, Electronic, Elastic and Dynamical Properties of MCO3 (M: Mn, Co, Ni) Precursor Materials for Li-Ion Batteries: A First-Principles Study

赝势 密度泛函理论 布里渊区 过渡金属 结构稳定性 化学稳定性 离子 电子结构 材料科学 化学 热力学 计算化学 凝聚态物理 物理 结构工程 工程类 催化作用 有机化学 生物化学
作者
Mogahabo Tebogo Morukuladi,Ndanduleni Lethole,Mallang Cliffton Masedi,Noko Ngoepe,Phuti E. Ngoepe
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:169 (2): 020540-020540 被引量:5
标识
DOI:10.1149/1945-7111/ac50e3
摘要

This communication reports first-principles calculations on the structural, thermodynamic, electronic, elastic and dynamic properties of transition metal carbonates, MCO 3 (M=Mn, Co, Ni) at 0 K. These materials are projected to be excellent candidates as precursors for advanced cathode materials in rechargeable lithium-ion batteries which employ an NMC chemistry. We have employed the plane-wave pseudopotential method framed within the density functional theory (DFT) as embedded in the VASP code. The exchange-correlation functional of Perdew, Burke and Ernzerhof (PBE) was used. Moreover, the Hubbard U -correction in the rotationally invariant form was applied to improve the description of the strongly correlated 3 d electrons of the transition metals. The structural cell parameters were calculated to 96% agreement with the experimental data, warranting the robustness of the approach employed. All MCO 3 crystal systems have negative enthalpies of formation, indicating thermodynamic stability leading to good cycling performance and safety. All the elastic constants for the considered transition metal carbonates satisfied the necessary stability conditions, indicating mechanical stability. Moreover, negative vibrations are not observed in the high symmetry directions of the Brillouin zone, suggesting dynamical stability.

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