鉅大LARGE | 點擊量:1860次 | 2018年12月10日
研究結果表明磷酸鐵鋰比錳酸鋰的穩定性更好
為了表示電子密度在空間中的變化情況給出了LiMnPO4體系的差分電子密度圖。其中標尺中的正值表示空間中電子密度增強的區域,而負值則表示空間中電子密度減弱的區域。
計算的結果表明.氧原子周圍的區域的電子密度明顯得到增強,而P和Mn周期的區域的電子密度明顯減弱。因此氧為負離子,帶負電荷.而P和Mn則為正離子。此外.由于0分別與P和Mn相鄰.而且0周圍的差分電子密度顯示出了典型的2p軌道特征,因此可以確認O2p與P和Mn的軌道將發生有效重疊,并形成共價鍵。而Mn周圍的差分電子密度則清楚的顯示出Mn3d軌道的特征,因此可以確認Mn和P與Mn的軌道將有效地發生重疊并形成共價鍵,這與態密度的計算結果完全一致對于PO4四面體中心的P而言,P的3s和3p軌道發生sp3雜化。這使得P得P的3s和3p態具有很強的離域特征,這從態密度的計算結果可以得到證實.而差分電子密度的計算結構則進一步證實P不僅是正離子.而且其sp3雜化軌道確實與O的2P軌道發生了有效重疊,并形成了共價鍵。
這些結果與布局及態密度分析結果一致。盡管LiMnPO4和LiFePO4具有相同的空間群和相似的晶體結構,但由于fe(3d64s2)和Mn(3d54s2)價電子層不同,這導致了兩者的微觀成鍵結構、熱力學穩定性及電子特性有所不同,而電子結構的變化將對材料的電化學性質產生深遠的影響。根據正常價的估算,若Mn和Fe都是+2價,則Fe2+和Mn2+分別是d6和d5構型。因此在LiMnPO4體系中Mn2+的低自旋構型。因此在LiMnPO4體系中Mn2+的低自旋構型將會導致系統產生Jahn-Teller畸變,正如歐陽楚英課題組的計算所證實的一樣,而材料的結構畸變將使電池材料的循環型變差。而對LiFePO4而言,低自旋結構可以使Mn2+O6保持理想八面體結構,這有利于增強體系的結構穩定性,并提高材料的循環性能。
除此之外,Mn和Fe最外層的電子數的差異也會導致M-O(M=Mn和Fe)之間的化學鍵的強度發生改變。可以預期隨著3d層的電子數增加,M-O鍵的鍵強逐漸增強。因此,LiFePO4的熱力學穩定性應該教LiMnPO4更優,正如Ceder課題組通過第一性原理計算及相圖的計算所證實的那樣:MnPO4的分解溫度確實較FePO4低很多,這與Chen等的實驗研究相一致。因此,采用第一性原理的方法對電池材料的微觀電子結構、電荷及成鍵特性進行討論,可以發回理論計算方法的優勢,這對揭示電池材料的結構和性能之間關系有重要作用,并且可以為后續的實驗合成和材料的理論設計提供重要依據。
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