Understanding migration barriers for monovalent ion insertion in transition metal oxide and phosphate based cathode materials: A DFT study

阴极 过渡金属 价(化学) 离子 化学物理 氧化物 离子键合 金属 化学 无机化学 密度泛函理论 材料科学 计算化学 物理化学 冶金 催化作用 生物化学 有机化学
作者
Dmitry A. Aksyonov,Stanislav S. Fedotov,Keith J. Stevenson,Andriy Zhugayevych
出处
期刊:Computational Materials Science [Elsevier BV]
卷期号:154: 449-458 被引量:51
标识
DOI:10.1016/j.commatsci.2018.07.057
摘要

High ionic conductivity is a prerequisite requirement for materials used in monovalent metal-ion rechargeable batteries. The extensive search of new electrode materials for Na-ion and K-ion monovalent metal-ion batteries requires a deep understanding of structural and chemical details of cation migration through the crystal lattice. In the paper, we consider three classes of transition metal oxide and phosphate cathode materials: AMn2O4 spinels, AMPO4 olivines and AVPO4F tavorites (A = Li, Na, K, □; M = Fe, Mn), used for pragmatic applications for secondary (rechargeable) batteries. Herein we examine Na+ and K+ migration characteristics in comparison with that of Li+ by means of DFT+U, local energy calculations, empirical potentials, and bond valence energy landscape (BVEL). It is found that despite larger radii of Na+ and K+, the migration barriers are comparable with that of Li+. In several cases, we reveal that the migration barrier of K+ can be even lower than that of Li+. This behavior is explained through the interplay of site and lattice energies during cation migration. For automation of screening of migration properties via DFT calculations, a new Python-based framework (SIMAN) is developed and benchmarked across three cathode materials structures.

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