محمد مهدی کلانتریان - پژوهشکده سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی

کاتد در باتری­های لیتیم- یون تعیین­کننده کارآیی و رفتار این نوع وسایل ذخیره انرژی می­باشد. ماده کاتدی LiFePO4 (LFP) با ساختار اولیوین و گروه فضایی Pnma (اورتورمبیک) مورد بررسی نظریه تابعی چگالی (DFT) با کد Wien2k قرار گرفت. محاسبات با استفاده از روش های LSDA، PBE-GGA، LSDA+U ، GGA+U، پتانسیل Becke-Johnson بهبود یافته (mBJ) و PBE-Fock-α  انجام شدند. محاسبات ساختاری نشان داد ساختار این کاتد پس از خروج لیتیم پایداری خود را حفظ می­نماید. حجم ساختار محاسبه شده با روش GGA بزرگتر و با روش LSDA کوچکتر از حجم ساختار آزمایشگاهی تخمین زده شد. پس از خروج لیتیم بیشترین انقباض در صفحه ab رخ می­دهد که این پدیده می­تواند موجب خروج یکنواخت لیتیم به­صورت آبشاری/دومینویی در جهت محور c گردد. این پدیده می­تواند مسئول ایجاد ولتاژ یکنواخت برای این کاتد در هنگام شارژ/تخلیه باشد. محاسبات ولتاژ نظری نشان داد نزدیک­ترین مقادیر محاسبه شده ولتاژ به مقدار آزمایشگاهی (V2/3) متعلق به روش­های GGA+U، GGA و mBJ است. بر طبق چگالی حالات محاسبه شده، ساختار قبل از خروج لیتیم (LiFePO4) نیمه­هادی نوع N و ساختار پس از خروج لیتیم (FePO4) نیمه­هادی نوع P می­باشد. ترکیب دیود بایاس معکوس اتصال P-N موجب نرخ­پذیری کمتر این کاتد نسبت به کاتدهای اکسیدی، شده است. هرچند به دلیل موقعیت تراز فرمی و باندهای پذیرنده و گیرنده، این کاتد نسبت به بسیاری از پلی­آنیون­ها نرخ­پذیری بهتری دارد. از دست دادن لیتیم و انتقال حالت یونی Fe از II به III موجب افزایش رسانش می­گردد. مسئول این پدیده اوربیتال­های خالی 3d-Fe می­باشند.

باتری, لیتیم- یون, LiFePO4, نظریه تابعی چگالی, DFT