Hydroxyl Defects in LiFePO4 Cathode Material: DFT+U and an Experimental Study

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作者
Dmitry A. Aksyonov,Irina Varlamova,Ivan A. Trussov,Aleksandra A. Savina,Anatoliy Senyshyn,Keith J. Stevenson,Artem M. Abakumov,Andriy Zhugayevych,Stanislav S. Fedotov
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:60 (8): 5497-5506 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.0c03241
摘要

Lithium iron phosphate, LiFePO 4, a widely used cathode material in commercial Li-ion batteries, unveils a complex defect structure, which is still being deciphered. Using a combined computational and experimental approach comprising density functional theory (DFT)+ U and molecular dynamics calculations and X-ray and neutron diffraction, we provide a comprehensive characterization of various OH point defects in LiFePO 4, including their formation, dynamics, and localization in the interstitial space and at Li, Fe, and P sites. It is demonstrated that one, two, and four (five) OH groups can effectively stabilize Li, Fe, and P vacancies, respectively. The presence of D (H) at both Li and P sites for hydrothermally synthesized deuterium-enriched LiFePO 4 is confirmed by joint X-ray and neutron powder diffraction structure refinement at 5 K that also reveals a strong deficiency of P of 6%. The P occupancy decrease is explained by the formation of hydrogarnet-like P/4H and P/5H defects, which have the lowest formation energies among all considered OH defects. Molecular dynamics simulation shows a rich structural diversity of these defects, with OH groups pointing both inside and outside vacant P tetrahedra creating numerous energetically close conformers, which hinders their explicit localization with diffraction-based methods solely. The discovered conformers include structural water molecules, which are only by 0.04 eV/atom H higher in energy than separate OH defects.
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