First principles calculations on lithium diffusion near the surface and in the bulk of Fe-doped LiCoPO4

文献情報

出版日 2021-12-07
DOI 10.1039/D1CP04517B
インパクトファクター 3.676
著者

Kuan-Ching Wu, Chieh-Ming Hsieh, Bor Kae Chang


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要旨

The olivine phosphate LiCoPO4 is a prospective cathode material in high-voltage lithium-ion batteries. During lithium diffusion, the ions must overcome the diffusion energy barrier near the surface and in the bulk. Experimental studies have shown that Fe doping can enhance the electrochemical performance of LiCoPO4 with a doping concentration of x = 0.2 (LiFe0.2Co0.8PO4). DFT calculations can provide detailed understanding of the lithium diffusion mechanism, structural stability, and electronic properties for Fe-doped LiCoPO4 and elucidate the origins for this improvement from a microscopic viewpoint. In this study, the electronic structure of Fe-doped LiCoPO4 was calculated via first principles and compared with that of pristine LiCoPO4. To investigate the surface properties of LiCoPO4, surface energies with low indices were calculated. The results showed that the (010) surface has the lowest surface energy. Minimum energy diffusion pathways and energy barriers were calculated using the NEB method. Our calculations showed that the energy barrier for lithium-ion diffusion can be reduced by Fe doping modification. Furthermore, we investigated the diffusion processes of polarons and lithium ions migrating simultaneously. This study has implications for further application of LiCoPO4 as a cathode material.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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