【摘 要】
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随着绿色清洁能源技术的飞速发展,社会对能源存储与转换器件的要求也在不断提高,锂离子电池以其普遍的适用性备受关注。其中,锂离子电池正极材料是发展的关键,含Co的三元层状正极材料在应用市场中有着举足轻重的地位,但是Co资源储量有限且成本颇高,这制约了其广泛应用。由此可见,采用成本低廉且绿色环保的其它过渡金属富锂材料是较为理想的选择,富锂层状正极材料Li-Fe-Ni-Mn-O兼具高容量和低成本的优点,成
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随着绿色清洁能源技术的飞速发展,社会对能源存储与转换器件的要求也在不断提高,锂离子电池以其普遍的适用性备受关注。其中,锂离子电池正极材料是发展的关键,含Co的三元层状正极材料在应用市场中有着举足轻重的地位,但是Co资源储量有限且成本颇高,这制约了其广泛应用。由此可见,采用成本低廉且绿色环保的其它过渡金属富锂材料是较为理想的选择,富锂层状正极材料Li-Fe-Ni-Mn-O兼具高容量和低成本的优点,成为当前研究热点材料之一。本文运用第一性原理研究了富锂层状正极材料Li-Fe-Ni-Mn-O在充电过程中过渡金属和氧离子的氧化过程及富锂分布对其储能机理的影响,为实验设计性能优异的锂离子电池正极材料提供有效参考。首先构建了层状正极材料Li1.21Fe0.13Ni0.12Mn0.54O2和Li1.17Fe0.25Ni0.12Mn0.46O2的结构模型,然后利用第一性原理计算找到过渡金属层富Li聚集分布(localized distribution,LD)和分散分布(delocalized distribution,DD)的最稳定结构,随后对稳定结构进行脱锂即模拟锂离子电池首圈充电过程。对Li1.21Fe0.13Ni0.12Mn0.54O2和Li1.17Fe0.25Ni0.12Mn0.46O2体系的氧化过程及氧化机理研究发现,金属阳离子和氧阴离子存在氧化还原竞争关系,氧化过程的一般顺序是首先发生Ni2+/Ni3+/Ni4+离子氧化,随后是Fe3+/Fe4+离子氧化,最后是O2-/On-(0<n<2)离子氧化。此外,参与氧化的O主要是与Fe配位的O和线性Li-O-Li构型的O,其中线性Li-O-Li构型的O活性最大且最容易参与氧化。对富锂LD和DD两个体系,研究了氧释放焓ΔHO以及Mn4+离子的迁移能垒,结果表明,富锂呈分散排布(DD)的结构稳定,氧离子氧化还原可逆性好,这将可以对材料具有相同组成但电化学性能不同的现象作出合理解释。随后,通过比较两种不同富锂量下富锂分散排布(DD)体系的电化学性能发现,富锂含量较低的Li1.17Fe0.25Ni0.12Mn0.46O2体系结构稳定,氧的氧化还原可逆性好,且电池的循环稳定性强。实际上,富锂量少也意味着过渡金属层的锂更分散分布,这也进一步证实了上一个结论。由此可知,富锂含量较低且富锂呈分散分布的材料有望成为锂离子电池正极材料的理想选择。
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