Hybrid density functional calculations of redox potentials and formation energies of transition metal compounds

密度泛函理论 混合功能 过渡金属 氧化还原 插层(化学) 材料科学 尖晶石 物理 金属 计算化学 原子物理学 化学 量子力学 生物化学 冶金 催化作用
作者
Vincent Chevrier,Shyue Ping Ong,Rickard Armiento,Maria K. Y. Chan,G. Ceder
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:82 (7) 被引量:351
标识
DOI:10.1103/physrevb.82.075122
摘要

We compare the accuracy of conventional semilocal density functional theory (DFT), the DFT+U method, and the Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE06) hybrid functional for structural parameters, redox reaction energies, and formation energies of transition metal compounds. Conventional DFT functionals significantly underestimate redox potentials for these compounds. Zhou et al. [Phys. Rev. B 70, 235121 (2004)] addressed this issue with DFT+U and a linear-response scheme for calculating U values. We show that the Li intercalation potentials of prominent Li-ion intercalation battery materials, such as the layered Li(x)MO(2) (M=Co and Ni), Li(x)TiS(2); olivine Li(x)MPO(4) (M=Mn, Fe, Co, and Ni); and spinel-like Li(x)Mn(2)O(4), Li(x)Ti(2)O(4), are also well reproduced by HSE06, due to the self-interaction error correction from the partial inclusion of Hartree-Fock exchange. For formation energies, HSE06 performs well for transition metal compounds, which typically are not well reproduced by conventional DFT functionals but does not significantly improve the results of nontransition metal oxides. Hence, we find that hybrid functionals provide a good alternative to DFT+U for transition metal applications when the large extra computational effort is compensated by the benefits of (i) avoiding species-specific adjustable parameters and (ii) a more universal treatment of the self-interaction error that is not exclusive to specific atomic orbital projections on selected ions.
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