بررسي نظري خواص و رفتار LiFePO4 به عنوان كاتد باتري ليتيميون با استفاده از نظريه تابعي چگالي

كاتد در باتري هاي ليتيم-يون تعيين كننده كارآيي و رفتار اين نوع وسايل ذخيره انرژي مي باشد. ماده كاتدي LiFePO4 (LFP) با ساختار اوليوين و گروه فضايي Pnma (اورتورمبيك) مورد بررسي نظريه تابعي چگالي (DFT) با كد Wien2k قرار گرفت. محاسبات با استفاده از روش‍هاي LSDA، PBE-GGA، LSDA+U ، GGA+U، پتانسيل Becke-Johnson بهبود يافته (mBJ) و PBEF-ock-α  انجام شدند. محاسبات ساختاري نشان داد ساختار اين كاتد پس از خروج ليتيم پايداري خود را حفظ مي نمايد. حجم ساختار محاسبه شده با روش GGA بزرگتر و با روش LSDA كوچكتر از حجم ساختار آزمايشگاهي تخمين زده شد. پس از خروج ليتيم بيشترين انقباض در صفحه ab رخ مي دهد كه اين پديده مي تواند موجب خروج يكنواخت ليتيم به صورت آبشاري/دومينويي در جهت محور c گردد. اين پديده مي تواند مسئول ايجاد ولتاژ يكنواخت براي اين كاتد در هنگام شارژ/تخليه باشد. محاسبات ولتاژ نظري نشان داد نزديك ترين مقادير محاسبه شده ولتاژ به مقدار آزمايشگاهي (V2/3) متعلق به روش هاي GGA+U، GGA و mBJ است. بر طبق چگالي حالات محاسبه شده، ساختار قبل از خروج ليتيم (LiFePO4) نيمه هادي نوع N و ساختار پس از خروج ليتيم (FePO4) نيمه هادي نوع P مي باشد. تركيب ديود باياس معكوس اتصال PN موجب نرخ پذيري كمتر اين كاتد نسبت به كاتدهاي اكسيدي، شده است. هرچند به دليل موقعيت تراز فرمي و باندهاي پذيرنده و گيرنده، اين كاتد نسبت به بسياري از پلي آنيون ها نرخ پذيري بهتري دارد. از دست دادن ليتيم و انتقال حالت يوني Fe از II به III موجب افزايش رسانش مي گردد. مسئول اين پديده اوربيتال هاي خالي 3dFe مي باشند.