揭示尖晶石锂离子正极材料中位间 Hubbard 相互作用的影响

对正极材料结构、电子、磁和电化学性质的准确第一性原理预测,对于设计新型高效锂离子电池至关重要。尖晶石型正极材料 Li$_x$Mn$_2$O$_4$ 和 Li$_x$Mn$_{1.5}$Ni$_{0.5}$O$_4$ 是锂离子电池技术中有前景的候选者,但在其第一性原理建模方面存在严峻挑战。此处,我们使用带扩展 Hubbard 泛函的密度泛函理论——即包含在位 $U$ 与位间 $V$ Hubbard 相互作用的 DFT+$U$+$V$——来研究这些过渡金属氧化物的性质。Hubbard 参数由第一性原理使用密度泛函微扰理论算出。我们表明,尽管 $U$ 对于获得这些材料性质的正确趋势至关重要,但 $V$ 对于结构与电子性质以及锂嵌入电压的定量描述必不可少。本工作为在不依赖经验拟合或标定程序的情况下对其他族正极材料进行可靠的第一性原理研究铺平了道路。