鋰離子電池聚陰離子型正極材料的第一性原理研究進展

沈 丁，李 犇，楊紹斌，唐樹偉

（1遼寧工程技術大學材料科學與工程學院，遼寧 阜新123000；2東北師范大學化學學院，吉林 長春130024）

鋰離子電池由于具有能量密度高、功率密度大、安全性能好、對環境無污染等突出優點，被廣泛應用于筆記本電腦、手機等常規便攜式電子產品以及電動自行車、電動汽車等電動工具。鋰離子電池的電化學性能與正負電極材料的性質密切相關。正極材料中，常用的有金屬氧化物（如LiCoO2、LiMnO2和LiNiO2等）和聚陰離子型化合物（如LiFePO4等）兩大類。

聚陰離子型化合物LixMy(XOn)（M=Mn、Fe、Co、Ni 等，X=P、Si、B 等）中，結構單元(XOn)m-可以起到支撐和穩定晶體結構的作用，并且X—O共價鍵比過渡金屬氧化物中的鍵強。因此，聚陰離子型化合物具有較強的結構穩定性和較高的安全性，成為電動工具中動力鋰離子電池的首選正極材料。但是，這類材料晶體結構中的MO6八面體或MO4四面體被(XOn)m-隔離，阻礙了電子和Li+的傳遞與擴散。

為了提高聚陰離子型化合物的電子傳導性和離子傳導性，人們通常采用碳包覆、摻雜或制備納米材料等途徑[1]來改善其電化學性能。但是，受到實驗技術、實驗條件以及環境等諸多因素的影響，實驗研究會消耗大量的時間、人力、物力和財力，而且實驗研究還存在一定的局限性。因此，人們很難探索到鋰離子電池涉及的復雜微觀機理。

基于密度泛函理論的第一性原理的出現和應用，極大地減輕了實驗研究的工作量。它借助于電子質量Me、基本電荷e、普朗克常數h、光速C 和玻耳茲曼常數kB5 個基本物理常數，通過自洽計算，可以從理論上得到電極材料的電子結構，進而對其電化學性能進行預測和分析。……