بررسی نظری خواص و رفتار LiFeSO4F به عنوان کاتد باتری لیتیم-‌یون با استفاده از نظریه تابعی چگالی

نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران

10.30501/jamt.2020.95541

چکیده

کاتد در باتری‌های لیتیم-یون مهمترین بخش و تعیین کننده کارآیی و رفتار این وسایل ذخیره انرژی می‌باشد. ماده کاتدی LiFeSO4F با ساختار تاووریت و گروه فضایی C2/c مورد بررسی نظریه تابعی چگالی (DFT) با استفاده از کد Wien2k قرار گرفت. محاسبات با استفاده از روش‌های GGA، GGA+U و PBE-Fock-α (از روش های Hybrid functionals، HF) انجام شدند. محاسبات ساختاری نشان داد این کاتد پس از خروج لیتیم پایداری خود را حفظ می‌نماید. محاسبات ولتاژ نظری نشان داد نزدیک‌ترین مقادیر محاسبه شده ولتاژ به مقدار آزمایشگاهی (V 3.9) متعلق به روش‌هایHF و GGA+U است. بر طبق چگالی حالات (DOS) محاسبه شده، ساختار قبل از خروج لیتیم نیمه‌هادی نوع n و ساختار پس از خروج لیتیم نیمه هادی نوع p می‌باشد. با وجود اینکه به دلیل ساختار باز این کاتد انتظار می رود نرخ‌پذیری این کاتد مناسب باشد، با این حال ترکیب دیود بایاس معکوس اتصال p-n موجب نرخ‌پذیری کمتر این کاتد نسبت به کاتدهای اکسیدی شده است. برای اولین بار، نوار ممنوعه ذاتی‌وار و غیرذاتی‌وار برای این کاتد با روش‌های مختلف محاسبه و گزارش شدند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Theoretical evaluation of properties and behaviors of LiFeSO4F as a Li-ion battery cathode material: a DFT study

نویسندگان [English]

  • Mohammad Mahdi Kalantarian
  • Masoud Momeni
  • Mahziar Hafizi
Materials and Energy research Center (MERC), karaj, Iran.
چکیده [English]

Cathode is the most important part of Li-ion batteries and it determines performance and behavior of these energy storage devices. LiFeSO4F as a cathode material with Tavvorite structure and C2/c space group is investigated by density functional theory (DFT) using Wine2k program package. Calculation were performed by different methods GGA, GGA+U and PBE-Fock-α (a Hybrid Functionals method, HF). Structural calculations were demonstrated structural stability after Lithium ion extraction. Theoretical voltage was evaluated, using total energy of the considered structures. The most agreeable calculated voltage in comparison with the experimental value (3.9 V) belongs to HF method. According to obtained Density of States (DOS) diagrams, lithiated structure is n-type semiconductor and delithiated structure is p-type semiconductor. This material had been suggested as a potentially high rate capable cathode due to its unclose structure and high diffusion coefficient of Li-ions in the structure; however, inversely-biased-diode phenomenon turns it as low rate capable in comparison with oxide cathode materials. For the first time, internist-like and extrinsic-like band gap were calculated and reported for the cathode material.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Battery
  • Li-ion
  • cathode
  • Density functional theory
  • LiFeSO4F
1.    Ellis, B. L. & Nazar, L. F. Sodium and sodium-ion energy storage batteries. Current Opinion in Solid State and Materials Science, (2012), 16 (4), 168-177.

2.    Wakihara, M. Recent developments in lithium ion batteries. Materials Science and Engineering: R: Reports, (2001), 33 (4), 109-134.

3.    Goodenough, J. B. & Kim, Y. Challenges for rechargeable batteries. Journal of Power Sources, (2011), 196 (16), 6688-6694.

4.    کزازی, م., واعظی, م. ر. & زاده, ا. ک. ساخت، مشخصه یابی و سیکل پذیری ماده کاتدی سولفور- پلی پیرول جهت کاربرد در باتری-های ثانویه لیتیمی. مجله مواد و فناوریهای پیشرفته, (1392), 2 (3), 79-85.

5.    Kalantarian, M. M. et al. Electrochemical Characterization of Low-Cost Lithium-Iron Orthosilicate Samples as Cathode Materials of Lithium-Ion Battery. Advanced Ceramics Progress, (2017), 3 (3), 19-25.

6.    کلانتریان, م. م. & عسگری, س. بررسی نظری جامع پلی‌مورف‌های مختلف Li2FeSiO4 به عنوان کاتد باتری لیتیم-یون با استفاده از نظریه تابعی چگالی. مجله مواد و فناوریهای پیشرفته, (1397), 7 (2), 63-74.

7.    Fergus, J. W. Recent developments in cathode materials for lithium ion batteries. Journal of Power Sources, (2010), 195 (4), 939-954.

7.         کلانتریان, م. م. بررسی نظری خواص و رفتار LiFePO4 به عنوان کاتد باتری لیتیم-یون با استفاده از نظریه تابعی چگالی. مجله مواد و فناوریهای پیشرفته, (1398), 8 (1), 45-53.

9.    Dong, J. et al. Triplite LiFeSO4F as cathode material for Li-ion batteries. Journal of Power Sources, (2013), 244, 716-720.

10.  Barpanda, P. et al. A 3.90 V iron-based fluorosulphate material for lithium-ion batteries crystallizing in the triplite structure. Nature materials, (2011), 10 (10), 772-779.

11.  Ou, X., Gu, H., Wu, Y., Lu, J. & Zheng, Y. Chemical and morphological transformation through hydrothermal process for LiFePO< sub> 4</sub> preparation in organic-free system. Electrochimica Acta, (2013).

12.  Cheng, F. et al. High power performance of nano-LiFePO4/C cathode material synthesized via lauric acid-assisted solid-state reaction. Electrochimica Acta, (2011), 56 (8), 2999-3005.

13.  Zhang, Y. et al. One-step microwave synthesis and characterization of carbon-modified nanocrystalline LiFePO< sub> 4</sub>. Electrochimica Acta, (2009), 54 (11), 3206-3210.

14.  Liu, H.-p. et al. Synthesis and electrochemical properties of olivine LiFePO< sub> 4</sub> prepared by a carbothermal reduction method. Journal of Power Sources, (2008), 184 (2), 469-472.

15.  Liu, L., Zhang, B. & Huang, X.-j. A 3.9 V polyanion-type cathode material for Li-ion batteries. Progress in Natural Science: Materials International, (2011), 21 (3), 211-215.

16.  Tripathi, R., Popov, G., Sun, X., Ryan, D. H. & Nazar, L. F. Ultra-rapid microwave synthesis of triplite LiFeSO4F. Journal of Materials Chemistry A, (2013), 1 (9), 2990-2994.

17.  Song, M.-S. et al. Simple and fast synthesis of LiFePO< sub> 4</sub>-C composite for lithium rechargeable batteries by ball-milling and microwave heating. Journal of power Sources, (2007), 166 (1), 260-265.

18.  Zhao, B. et al. Morphology and electrical properties of carbon coated LiFePO< sub> 4</sub> cathode materials. Journal of Power Sources, (2009), 189 (1), 462-466.

19.  Recham, N. et al. A 3.6 V lithium-based fluorosulphate insertion positive electrode for lithium-ion batteries. Nature materials, (2009), 9 (1), 68-74.

20.  Tripathi, R., Ramesh, T., Ellis, B. L. & Nazar, L. F. Scalable synthesis of tavorite LiFeSO4F and NaFeSO4F cathode materials. Angewandte Chemie, (2010), 122 (46), 8920-8924.

21.  Meng, Y. S. & Arroyo-de Dompablo, M. E. Recent Advances in First Principles Computational Research of Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries. Accounts of Chemical Research, (2012).

22.  Cohen, A. J., Mori-Sánchez, P. & Yang, W. Challenges for density functional theory. Chemical Reviews, (2011), 112 (1), 289-320.

23.  Kalantarian, M. M., Asgari, S. & Mustarelli, P. Theoretical investigation of Li2MnSiO4 as a cathode material for Li-ion batteries: a DFT study. Journal of Materials Chemistry A, (2013), 1 (8), 2847-2855.

24.  Kalantarian, M. M., Asgari, S., Capsoni, D. & Mustarelli, P. An ab initio investigation of Li 2 M 0.5 N 0.5 SiO 4 (M, N= Mn, Fe, Co Ni) as Li-ion battery cathode materials. Physical Chemistry Chemical Physics, (2013), 15, 8035-8041.

25.  اروجی, ع. ا., عنبر حیدری, ا. & رمضانی, ز. ترانزیستور اثر میدان فلز- نیمه هادی با ناحیه بدون ناخالصی در طرف درین برای اصلاح چگالی حامل ها و کاربردهای توان بالا. مدل سازی در مهندسی, (1394), 13 (43), 121-127.

26.  اسکندرنژاد, آ., رحمتی, ع. & ابریشمی فر, ا. مدل سازی و تحلیل عددی مبدل‌های تایریستوری به روش رانگ-کوتای چند متغیره. مدل سازی در مهندسی, (1391), 10 (29), 33-42.

27.  جهانگیر, و., ریاحی‌فر, ر. & صهبا یغمایی, م. مدل‏سازی پدیده ذوب سطحی لایه به لایه صفحات کریستالوگرافی فلز مس. مدل سازی در مهندسی, (1393), 12 (36), 43-52.

28.  Frayret, C. et al. LiMSO 4 F (M= Fe, Co and Ni): promising new positive electrode materials through the DFT microscope. Physical Chemistry Chemical Physics, (2010), 12 (47), 15512-15522.

29.  Tsevelmaa, T., Odkhuu, D., Kwon, O. & Cheol Hong, S. A first-principles study of magnetism of lithium fluorosulphate LiFeSO4F. Journal of Applied Physics, (2013), 113 (17), 17B302.

30.  Liu, Z. & Huang, X. Structural, electronic and Li diffusion properties of LiFeSO4F. Solid State Ionics, (2010), 181 (25-26), 1209-1213.

31.  Blaha, P., Schwarz, K., Madsen, G., Kvasnicka, D. & Luitz, J. WIEN2k, An augmented plane wave plus local orbitals program for calculating crystal properties.  ( Vienna University of Technology, Austria, 2001).

32.  Hohenberg, P. & Kohn, W. Inhomogeneous electron gas. Physical review, (1964), 136 (3B), B864.

33.  Tran, F., Blaha, P., Schwarz, K. & Novák, P. Hybrid exchange-correlation energy functionals for strongly correlated electrons: Applications to transition-metal monoxides. Physical Review B, (2006), 74 (15), 155108.

34.  Kalantarian, M. et al. Understanding non-ideal voltage behaviour of cathodes for lithium-ion batteries. Journal of Materials Chemistry A, (2014), 2 (45), 19451-19460.

35.  Kim, M., Jung, Y. & Kang, B. High electrochemical performance of 3.9 V LiFeSO 4 F directly synthesized by a scalable solid-state reaction within 1 h. Journal of Materials Chemistry A, (2015), 3 (14), 7583-7590.

36.  Momeni, M., Mashhour, H. Y. & Kalantarian, M. M. New approaches to consider electrical properties, band gaps and rate capability of same-structured cathode materials using density of states diagrams: Layered oxides as a case study. Journal of Alloys and Compounds, (2019), 787, 738-743.

37.  Kalantarian, M. M., Asgari, S. & Mustarelli, P. A theoretical approach to evaluate the rate capability of Li-ion battery cathode materials. Journal of Materials Chemistry A, (2014), 2 (1), 107-115.