Везде

ОНИТМикроэлектроника Russian Microelectronics

  • ISSN (Print) 0544-1269
  • ISSN (Online) 3034-5480

Моделирование электронных свойств М-легированных суперъячеек Li4Ti5O12—М (М = Zr, Nb) с моноклинной структурой для литий-ионных аккумуляторов

Вы можете
Код статьи
10.31857/S0544126924010041-1
DOI
10.31857/S0544126924010041
Тип публикации
Статья
Статус публикации
Опубликовано
Авторы
Асадов М. М.
  • Аффилиация:
    Институт физики Министерства науки и образования Азербайджана
    Университет Хазар
Лукичев В. Ф.
  • Аффилиация: Физико-технологический институт им. К.А. Валиева Российской академии наук
Том/ Выпуск
Том 53 / Номер выпуска 1
Страницы
39-50
Аннотация
Уточнена фазовая диаграмма T–x квазибинарной системы Li2O–TiO2 и построено изотермическое сечение тройной системы Li–Ti–O при 298 К. Определены равновесные фазовые области Li–Ti–O в твердом состоянии с участием граничных бинарных оксидов и четырех промежуточных тройных соединений Li4TiO4, Li2TiO3, Li4Ti5O12 и Li2Ti3O7. Методом теории функционала плотности (DFT LSDA) рассчитаны энергии образования указанных тройных соединений системы Li2O–TiO2 и построена зависимость ΔfE от состава. Проведено ab initio моделирование суперъячеек на основе М-легированного анодного материала на основе соединения Li4Ti5O12 (LTO) с моноклинной структурой (m). Показано, что частичное замещение катионов и кислорода в структуре m-LTO–M повышает эффективность литий-ионного аккумулятора (LIB) как за счет стабилизации структуры, так и за счет увеличения скорости диффузии Li+. За счет вклада d-орбиталей (Zr4+-4d, Nb3+-4d орбитали) в обменную энергию происходит частичная поляризация электронных состояний и увеличивается электронная проводимость m-LTO–M. Образование кислородных вакансий в кристаллической решетке m-LTO–M, как и в бинарных оксидах, может создавать донорные уровни и улучшать транспорт Li+ и электронов. М-легирование структуры m-LTO путем замены катионов, в частности лития, на атомы Zr или Nb, заметно уменьшает ширину запрещенной зоны (Eg) суперячеек m-LTO–M. При этом в зонной структуре m-LTO–M уровень Ферми смещается в зону проводимости и запрещенная зона сужается. Уменьшение значения Eg увеличивает электронную и литий-ионную проводимость суперъячеек m-LTO–M.
Ключевые слова
DFT LSDA моделирование суперъячейка анодный материал Li4Ti5O12(LTO) моноклинная структура легирование Zr4+-4d Nb3+-4d орбитали зонная структура электронные свойства
Дата публикации
16.09.2025
Год выхода
2025
Всего подписок
0
Всего просмотров
106

Библиография

  1. 1. Reddy M.V., Subba Rao G.V., Chowdari B.V.R. Metal Oxides and Oxysalts as Anode Materials for Li Ion Batteries // Chemical Reviews. 2013. V. 113. No. 7. P. 5364–5457. https://doi.org/10.1021/cr3001884
  2. 2. Tanaka S., Kitta M., Tamura T., Maeda Y., Akita T., Kohyama M. Atomic and electronic structures of Li4Ti5O12/Li7Ti5O12 (001) interfaces by first-principles calculations // J Mater Sci. 2014. https://doi.org/10.1007/s10853-014-8102-x
  3. 3. Ikezawa A., Fukunishi G., Okajima T., Kitamura F., Suzuki K., Hirayama M., Kanno R., Arai H. Performance of Li4Ti5O12-based Reference Electrode for the Electrochemical Analysis of Allsolid-state Lithium-ion Batteries // Electrochemistry Communications. 2020. V. 116. Р. 106743. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2020.106743
  4. 4. Ziebarth B., Klinsmann M., Eckl T., Elsässer C. Lithium diffusion in the spinel phase Li4Ti5O12 and in the rocksalt phase Li7Ti5O12 of lithium titanate from first principles // Physical Review B. 2014. V. 89. No. 17. P. 174301–7. https://doi.org/10.1103/physrevb.89.174301
  5. 5. Xu G., Han P., Dong S., Liu H., Cui G., Chen L. Li4Ti5O12-based energy conversion and storage systems: status and prospects // Coordination Chemistry Reviews. 2017. S0010854517301121. P. 1–158. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2017.05.006
  6. 6. Zhang H., Yang Y., Xu H., Wang L., LX., He X. Li4Ti5O12 spinel anode: Fundamentals and advances in rechargeable batteries // InfoMat. 2022. 4: e12228. P. 1–29. https://doi.org/10.1002/inf2.12228
  7. 7. Asadov M.M., Mammadova S.O., Huseynova S.S., Mustafaeva S.N., Lukichev V.F. Simulation of the Adsorption and Diffusion of Lithium Atoms on Defective Graphene for a Li-Ion Battery // Russian Microelectronics. 2023. V. 52. No. 3. P. 167–185. https://doi.org/10.1134/S1063739723700336
  8. 8. Zhao B., Ran R., Liu M., Shao Z. A comprehensive review of Li4Ti5O12 based electrodes for lithium-ion batteries: The latest advancements and future perspectives // Materials Science and Engineering R. 2015. V. 98. P. 1–71. https://doi.org/10.1016/j.mser.2015.10.001
  9. 9. Asadov M.M., Mammadova S.O., Guseinova S.S., Mustafaeva S.N., Lukichev V.F. Ab initio calculation of the band structure and properties of modifications of the Ti3Sb compound doped with lithium // Physics of the Solid State. 2022. V. 64. No. 11. P. 1594–1609. https://doi.org/10.21883/PSS.2022.11.54179.395
  10. 10. Asadov M.M., Mammadova S.O., Guseinova S.S., Mustafaeva S.N., Lukichev V.F. Modeling of Gold Adsorption by the Surface of Defect Graphene // Russian Microelectronics. 2022. V. 51. No. 6. P. 413–425. https://doi.org/10.1134/S1063739722700159
  11. 11. Asadov M.M., Mammadova S.O., Guseinova S.S., Mustafaeva S.N., Lukichev V.F. Modeling structural and energy characteristics of atoms in a GaS2D-crystal with point defects // Physics of the Solid State. 2022. V. 64. No. 1. P. 44–57. https://doi.org/10.21883/PSS.2022.01.52487.182
  12. 12. Kleykamp H. Phase equilibria in the Li—Ti—O system and physical properties of Li2TiO3 // Fusion Engineering and Design. 2002. V. 61–62. P. 361–366. https://doi.org/10.1016/s0920-3796 (02)00120-5
  13. 13. Okamoto H. Li-O (Lithium-Oxygen) // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2013. V. 34. No. 2. P. 169. https://doi.org/ 10.1007/s11669-012-0182-1
  14. 14. Okamoto H. O-Ti (Oxygen-Titanium) // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2011. V. 32. No. 5. P. 473–474. https://doi.org/10.1007/s11669-011-9935-5
  15. 15. Bale C.W. The Li-Ti (Lithium-Titanium system). Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1989. V. 10. No. 2. P. 135–138. https://doi.org/10.1007/bf02881424
  16. 16. Asadov M.M., Kuli-zade E.S. Phase equilibria, thermodynamic analysis and electrical properties of the Li2O—Y2O3—B2O3 system // Journal of Alloys and Compounds. JALCOM (IF 4.650) Pub Date: 2020–05–23. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155632
  17. 17. https://next-gen.materialsproject.org/materials/mp-685194. mp-685194: Li4Ti5O12 (Monoclinic, C2/c, 15).
  18. 18. Li X., Qu M., Yu Z. Structural and electrochemical performances of Li4Ti5–xZrxO12 as anode material for lithium-ion batteries // Journal of Alloys and Compounds. 2009. V. 487. No. 1–2. P. L12—L17. https://doi.org/110.1016/j.jallcom.2009.07.176
  19. 19. Kim S.-K., Kwon E.-S., Kim T.-H., Moon J., Kim J. Effects of atmospheric Ti (III) reduction on Nb2O5-doped Li4Ti5O12 anode materials for lithium ion batteries. Ceramics International. 2014. V. 40. No. 6. P. 8869–8874. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.12.132
  20. 20. Wang L., Zhang Y.M., Guo H.Y., Li J., Stach E.A., Tong X., Takeuchi E.S., Takeuchi K.J., Liu P., Marschilok A.C., Wong S.S. Structural and Electrochemical Characteristics of Ca-Doped “Flowerlike” Li4Ti5O12 Motifs as High-Rate Anode Materials for Lithium-Ion Batteries // Chem Mater. 2018. V. 30. No. 3. P. 671–684.
  21. 21. Tsai P., Hsu W-D., Lin S. Atomistic Structure and Ab Initio Electrochemical Properties of Defect Spinel for Li Ion Batteries // Journal of the Electrochemical Society. 2014. V. 161. No. 3. A439—A444. https://doi.org/10.1149/2.095403jes
  22. 22. Ouyang C.Y., Zhong Z.Y., Lei M.S. Ab initio studies of structural and electronic properties of spinel // Electrochemistry Communication. 2007. V. 9. No. 5. P. 1107–1112. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2007.01.013
  23. 23. Ding Z., Zhao L., Suo L., Jiao Y., Meng S., Hu Y-S., Wang Z., Chen L. Towards understanding the effects of carbon and nitrogen-doped carbon coating on the electrochemical performance of in lithium ion batteries: a combined experimental and theoretical study // Physical Chemistry Chemical Physics. 2011. V. 13. No. 33. P. 15127–15133. https://doi.org/10.1039/C1CP21513B
  24. 24. Nguyen T.D.H., Pham H.D., Lin S.-Y., Lin M.-F. Featured properties of Li+-based battery anode: // RSC Advances. 2020. V. 10. No. 24. P. 14071–14079. https://doi.org/10.1039/D0RA00818D
  25. 25. https://next-gen.materialsproject.org/materials/mp-772925: (Triclinic, P-1, 2) (materialsproject.org).
  26. 26. Yeh J.-J., Lindau I. Atomic subshell photoionization cross sections and asymmetry parameters: 1≤Z≤103. 1985. V. 32. No. 1. P. 1–155. https://doi.org/10.1016/0092-640x (85)90016-6
  27. 27. Yeh J.-J. Atomic Calculation of Photoionization Crosssection and Asymmetry Parameters. Gordon and Breach. New Jersey, 1993.
QR
Перевести

Индексирование

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Высшая аттестационная комиссия

При Министерстве образования и науки Российской Федерации

Scopus

Научная электронная библиотека