LiFePO4中對(duì)位缺陷的第一性原理研究*

張華 唐元昊 周薇薇 李沛娟 施思齊

(浙江理工大學(xué)物理系，光電材料與器件中心，杭州310018)

(2009年12月12日收到;2009年12月26日收到修改稿)

LiFePO4中對(duì)位缺陷的第一性原理研究*

張華 唐元昊 周薇薇 李沛娟 施思齊?

(浙江理工大學(xué)物理系，光電材料與器件中心，杭州310018)

(2009年12月12日收到;2009年12月26日收到修改稿)

基于考慮了Fe-3d電子間的庫(kù)侖作用U和交換作用J的GGA+U方案，應(yīng)用第一性原理計(jì)算方法系統(tǒng)研究了LiFePO4的對(duì)位缺陷，以及對(duì)位缺陷的形成對(duì)材料的電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散速率的影響.結(jié)果表明，Li/Fe交換缺陷是最容易形成的，形成缺陷后的Fe—O鍵變長(zhǎng)，擴(kuò)寬了Li離子傳輸通道，有利于Li離子在通道中的擴(kuò)散，對(duì)材料電化學(xué)性能的改善起到了一定的作用.

LiFePO4，對(duì)位缺陷，第一性原理計(jì)算

PACC:8630D，6170，3120G

1. 引言

鋰離子電池與傳統(tǒng)的二次電池相比保持了電壓高、能量密度大、重量輕，又具有安全性能好、自放電小等優(yōu)點(diǎn)［1］，在實(shí)際生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用.橄欖石型結(jié)構(gòu)的LiMXO4(M=Fe，Mn，Co，Ni;X =P，As，Si等)［2］是一系列非常有前景的鋰離子電池正極材料.在LiMPO4這個(gè)家族里，LiFePO4的電化學(xué)性能是最好的［3］，其容量高達(dá)170 mAh·g－1，放電平臺(tái)是3.5 V，使用安全且價(jià)格低廉［4］，具有優(yōu)良的循環(huán)性能，可安全快速充放電，具有較高的振實(shí)密度，其質(zhì)量、體積能量密度較高，熱穩(wěn)定性好，因此LiFePO4被認(rèn)為是一種環(huán)境友好型正極材料，具有很好的發(fā)展前景，有可能在動(dòng)力電池中得到廣泛的應(yīng)用，成為目前鋰離子電池正極材料研究方向的熱點(diǎn)［5］.

1997年Goodenough等［6］開(kāi)始研究并開(kāi)發(fā)了磷酸鹽材料作為鋰離子電池的正極材料，其中LiFePO4成為鋰離子電池正極材料研究的熱點(diǎn).但LiFePO4的電子電導(dǎo)率只有10－10—10－9S/cm，較差的電子遷移率和鋰離子擴(kuò)散速率成為限制其發(fā)展的主要因素，所以人們不斷嘗試去改善材料的電化學(xué)性能.從研究對(duì)材料進(jìn)行碳包覆［7—11］，到改變材料的顆粒大小［12］，但碳包覆和改變顆粒的大小只是在一定程度上改善了LiFePO4的電導(dǎo)率，并不能從根本上改善材料的電化學(xué)性質(zhì).很多研究又對(duì)材料進(jìn)行了鋰位摻雜［13—15］和鐵位摻雜［16—20］改性，并在實(shí)驗(yàn)中取得了很好的效果.目前，針對(duì)LiFePO4材料電子電導(dǎo)率的研究，其方法仍然是通過(guò)材料摻雜其他金屬陽(yáng)離子，期望能更進(jìn)一步改善材料的電化學(xué)性能.

近年來(lái)，利用第一性原理計(jì)算對(duì)LiFePO4材料的磁性、結(jié)構(gòu)、表面和晶格動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究都有了一定的進(jìn)展［21—24］.材料的缺陷問(wèn)題是一個(gè)比較有意義的課題，人們還沒(méi)有完全對(duì)其認(rèn)識(shí)清楚.本文基于考慮了Fe-3d電子間的庫(kù)侖作用U和交換作用J的GGA+U方案，應(yīng)用密度泛函理論(DFT)的第一性原理計(jì)算方法系統(tǒng)研究LiFePO4的對(duì)位缺陷.主要討論的是Fe占據(jù)Li位的對(duì)位缺陷，以及缺陷的形成對(duì)材料電導(dǎo)率和離子遷移率產(chǎn)生的影響，并和相關(guān)文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較.基于這一比較系統(tǒng)的理論計(jì)算工作，可望對(duì)實(shí)驗(yàn)工作有較好的指導(dǎo)作用.

2. 計(jì)算方法

LiFePO4在自然界中以磷鐵鋰礦的形式存在(見(jiàn)圖1)，為橄欖石型結(jié)構(gòu)，屬于正交晶系，空間群為Pnma.實(shí)驗(yàn)測(cè)定的晶格常數(shù)a=10.3290(1=0.1nm)，b=6.0065，c=4.6908［25］.其P原子占據(jù)四面體的4c位，F(xiàn)e原子和Li原子分別占據(jù)八面體的4c和4a位.以b軸方向?yàn)橐暯?，可以看到FeO6八面體在bc平面上以一定的角度連接起來(lái)，而LiO6八面體則沿b軸方向相互共邊，形成鏈狀.每個(gè)FeO6八面體分別與一個(gè)PO4四面體和兩個(gè)LiO6八面體共邊.同時(shí)，每個(gè)PO4四面體還與兩個(gè)LiO6八面體共邊.正是LiO6八面體沿著b軸方向形成鏈狀導(dǎo)致了沿著b方向存在可容許鋰離子穿過(guò)的通道.圖1(b)表示在橄欖石結(jié)構(gòu)中，與［001］hexagonal垂直的密堆積氧層之間只存在一種類型的陽(yáng)離子排列方式.

計(jì)算應(yīng)用的是基于密度泛函理論的第一性原理方法，離子核和電子之間的相互作用采用凝聚芯投影綴加波法(PAW)［26］.使用的計(jì)算軟件包是VASP［27—31］.Li-2s12p0，O-2s22p4，P-3s23p3，F(xiàn)e-3d74s1被視為價(jià)電子構(gòu)型，平面波的能量截?cái)酁?20 eV，采用1×1×1 Monkhorst-Pack類型的k點(diǎn)進(jìn)行布里淵區(qū)的積分，其高斯展寬為0.20 eV［32］，這組參數(shù)保證了總能量收斂于每個(gè)原子能量為2 meV的水平上［33］.在優(yōu)化結(jié)構(gòu)中，超原胞中的原子是弛豫的，晶格參數(shù)固定在化學(xué)單胞的理論計(jì)算值，當(dāng)作用于所有弛豫原子的力小于0.02 eV/時(shí)，計(jì)算停止.采用廣義梯度近似(GGA)［28］描述電子交換-關(guān)聯(lián)能.為描述Fe-3d電子之間的庫(kù)侖作用，用Liechtenstein等［29］提出的旋轉(zhuǎn)不變方法(Rotationally Invariant Approach)在GGA中增加了Hubbard參數(shù)U(GGA+U)，這里庫(kù)侖作用U和交換作用J是獨(dú)立的參數(shù).U和J的值分別取為4.7和1.0 eV，它是由Zhou等［30］用Cococcioni和de Gironcoli［31］提出的線性回歸方法通過(guò)自洽計(jì)算而得到的.

圖1 LiFePO4結(jié)構(gòu)示意圖(黑點(diǎn)為O原子，灰點(diǎn)為L(zhǎng)i原子)(a)單胞(AOB代表直角坐標(biāo)系)，(b)PO4四面體，(c)FeO6六面體

3. 結(jié)果與討論

3.1. 三種對(duì)位缺陷的形成能

我們所定義的對(duì)位缺陷，主要考慮三種情況.第一種是替換缺陷，即體系外的Fe替換LiFePO4中的Li;第二種是Li空位缺陷，即體系內(nèi)Fe占據(jù)Li位，在原Fe位形成空位;第三種是鋰鐵交換缺陷，即體系內(nèi)部Li，F(xiàn)e進(jìn)行位置交換.三種對(duì)位缺陷類型的定義和形成能公式分別如下.

3.1.1. 替換缺陷

1)不考慮價(jià)態(tài)平衡的條件下(替換缺陷-1):

2)考慮價(jià)態(tài)平衡的條件下(替換缺陷-2):

3.1.2. 鋰空位缺陷

1)不考慮價(jià)態(tài)平衡的條件下(空位缺陷-1):

2)考慮價(jià)態(tài)平衡的條件下(空位缺陷-2):

3.1.3. 鋰鐵交換缺陷(一種特殊的對(duì)位缺陷，也即二次對(duì)位缺陷)

鋰鐵交換缺陷由于位置不同則考慮兩種情況，交換缺陷-1是Fe占據(jù)Li位(1/2，1/2，1/2)，交換缺陷-2是Fe占據(jù)Li位(1/2，1/4，1/2).

我們基于2×2×2的超晶胞(8個(gè)LiFePO4，224個(gè)原子)構(gòu)建對(duì)位缺陷，計(jì)算缺陷的形成能.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，內(nèi)部缺陷的濃度必須小于0.3%［34］，因此我們選擇只替換一個(gè)原子，即構(gòu)建一個(gè)內(nèi)部缺陷.在優(yōu)化了結(jié)構(gòu)并計(jì)算得到對(duì)位缺陷各種類型形成前后體系的總能量后，我們能給出各種缺陷的體系原子數(shù)和形成能以及由此導(dǎo)致的鍵長(zhǎng)變化，分別如表1和表2所示.根據(jù)缺陷形成能數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，在LiFePO4超晶胞體系中，替換缺陷和鋰空位缺陷這兩種對(duì)位缺陷都很難形成，尤其是空位缺陷.而交換缺陷類型中Fe占據(jù)Li(1/2，1/2，1/2)位置(交換缺陷-1)的缺陷形成能是最低的(0.845 eV)，這與可獲得的實(shí)驗(yàn)值(0.74 eV)［35］符合得非常好.可以說(shuō)明，交換缺陷是最容易形成的對(duì)位缺陷.

表1 化學(xué)單胞LiFePO4及包含各種缺陷的超原胞中的原子數(shù)和缺陷形成能計(jì)算值

表2 超晶胞LiFePO4各種對(duì)位缺陷形成前后Li離子通道中的原子鍵長(zhǎng)數(shù)據(jù)

表2所列舉的是超晶胞LiFePO4體系中心Li離子通道中缺陷前(Li原子)和缺陷后(Fe原子)測(cè)得的鍵長(zhǎng)數(shù)據(jù)，從表2中的數(shù)據(jù)得知，形成缺陷以前，中心Li離子通道中Li—O鍵的鍵長(zhǎng)是2.149，當(dāng)交換缺陷形成后Fe占據(jù)Li位，其Fe—O鍵的鍵長(zhǎng)是2.187，與其他對(duì)位缺陷相比較鍵長(zhǎng)變化是最大的.從直觀角度來(lái)說(shuō)(見(jiàn)圖2)，交換缺陷形成后，中心Li離子通道中的Fe—O鍵的鍵長(zhǎng)變長(zhǎng)，則Li離子通道通過(guò)缺陷就會(huì)變寬，文獻(xiàn)［36—38］驗(yàn)證了Li離子的遷移是沿著LiFePO4中的［010］通道的，并不能在兩個(gè)Li離子通道之間跳躍，所以可以推斷這必將有利于Li離子的嵌入和脫出，進(jìn)而提高了Li離子在LiFePO4中的遷移率.

3.2. 缺陷形成后的電子結(jié)構(gòu)

過(guò)渡金屬氧化物的性能與電子結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，為了理解內(nèi)部缺陷形成后對(duì)LiFePO4材料的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，我們對(duì)純的LiFePO4和對(duì)位缺陷類型中最易形成的交換缺陷的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的分析.

電子態(tài)密度能反映材料的電子結(jié)構(gòu)情況.首先，我們來(lái)分析一下純的LiFePO4的電子結(jié)構(gòu).圖3是純的LiFePO4的分波態(tài)密度(PDOS)圖，從圖3中可以看到，F(xiàn)e-3d中自旋向上與自旋向下的部分在費(fèi)米能級(jí)附近產(chǎn)生了明顯的分裂.分裂來(lái)自于電子的排布需滿足第一條洪特規(guī)則的限制.自旋向上的部分全部被填充.對(duì)于自旋向下的部分，在LiFePO4中，僅僅在費(fèi)米能級(jí)以下的0.28 eV處有一個(gè)峰.其他的都沒(méi)有被填充.由于Fe離子是處在由O離子構(gòu)成的近似八面體中心，因此本來(lái)五重簡(jiǎn)并的Fe-3d態(tài)在該八面體晶體場(chǎng)的作用下分裂成三重簡(jiǎn)并的t2g態(tài)(dxy，dyz和dxz)和二重簡(jiǎn)并的eg(dx2－y2和dz2)態(tài)，而且對(duì)稱度的降低和其與O-2p態(tài)的軌道作用會(huì)導(dǎo)致3d態(tài)的進(jìn)一步分裂.

圖3 體相LiFePO4中Fe(實(shí)線)和O(虛線)的分波電子態(tài)密度零點(diǎn)為費(fèi)米能級(jí)

費(fèi)米能級(jí)附近的窄帶是Fe的3d部分，F(xiàn)e的非成鍵t2g態(tài)和反成鍵eg態(tài)分別在1.8—3.1 eV和 3.4—4.0 eV的能量范圍，這種占據(jù)方式表明其中的Fe離子呈典型的+2價(jià)，與其結(jié)構(gòu)價(jià)態(tài)一致.

圖4分別給出了純的和包含Li/Fe交換缺陷的LiFePO4的總電子態(tài)密度(TDOS)圖，可以清晰地看出，純的LiFePO4和交換缺陷形成后的LiFePO4均為半導(dǎo)體，電子態(tài)密度的整體峰型基本上是一致的，費(fèi)米能級(jí)仍位于帶隙的中央，電子在各能級(jí)的占據(jù)情況基本相同.從數(shù)值上看，純的LiFePO4的帶隙約為3.1 eV，和文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3.7 eV［35］較為接近.對(duì)位缺陷的帶隙是2.9 eV，和純的LiFePO4相比，帶隙略微變窄，但是其變化不太明顯，所以對(duì)材料的電子電導(dǎo)率不會(huì)產(chǎn)生太大的影響.但至少可以說(shuō)明，交換缺陷形成后，對(duì)材料的電子電導(dǎo)并沒(méi)有起到阻礙的作用.

圖4 純的LiFePO4(虛線)和Li/Fe交換缺陷的LiFePO4(實(shí)線)總電子態(tài)密度圖零點(diǎn)為費(fèi)米能級(jí)

4. 結(jié)論

本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法，系統(tǒng)地研究了LiFePO4內(nèi)部缺陷的形成情況，其結(jié)果表明:

1)LiFePO4對(duì)位缺陷中，交換缺陷(交換缺陷-1)的形成能是最低的.

2)形成交換缺陷后鍵長(zhǎng)的改變是最大的，因此我們可以預(yù)測(cè)，由于Fe—O鍵長(zhǎng)的變大，擴(kuò)寬了LiFePO4中［010］方向上的一維Li離子傳輸?shù)耐ǖ?，我們認(rèn)為，這樣有利于Li離子的嵌入和脫出，有利于LiFePO4中Li離子電導(dǎo)率的提高.

3)LiFePO4中的交換缺陷，對(duì)其電子電導(dǎo)并沒(méi)有起到阻礙的作用.

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*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.50802089)，the“Qianjiang Talent Project”of Zhejiang Province，China(Grant No.2007R10028)，the Scientific Research Starting Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars of Ministry of Education of China(Grant No.［2008］890)，the Natural Science Foundation of Zhejiang Province，China(Grant No.Y4090280)，and the Natural Science Foundation of Jiangxi Province，China(Grant No.2008GZW0014).

?Corresponding author.E-mail:siqishihz@gmail.com

Antisite defect of LiFePO4:A first-principles study*

Zhang Hua Tang Yuan-Hao Zhou Wei-Wei Li Pei-Juan Shi Si-Qi?
(Department of Physics，Center for Optoelectronics Materials and Devices，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou310018，China)
(Received 12 December 2009;revised manuscript received 26 December 2009)

The antisite defect，electronic conductivity and ionic dynamic properties of LiFePO4have been investigated using first-principles density functional theory taking into account the on-site Coulomb interaction within the GGA+U scheme. Results indicate the Li/Fe exchange defect is the most preferred to occur in LiFePO4，which causes the Fe—O bond length to change in the direction favoring the formation of Li+diffusion channels，hence improving the ionic dynamic properties of the olivine LiFePO4.

LiFePO4，antisite defect，first-principles calculations

book=282,ebook=282

*國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):50802089)、浙江省“錢江人才計(jì)劃”(批準(zhǔn)號(hào):2007R10028)、教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金(批準(zhǔn)號(hào):［2008］890)、浙江省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):Y4090280)和江西省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):2008GZW0014)資助的課題.

?通訊聯(lián)系人.E-mail:siqishihz@gmail.com