Published June 4, 2021 | Version v1
Publication Open

Modeling electrochemical properties of LiMn$$_{1-x}$$Co$$_{x}$$BO$$_3$$ for cathode materials in lithium-ion rechargeable batteries

  • 1. Universidade Federal da Bahia

Description

Abstract In this work, we report first-principle calculations of the electrochemical properties of lithitated and delithiated LiMn $$_{1-x}$$ 1 - x Co $$_{x}$$ x BO $$_3$$ 3 ( $$x = 0$$ x = 0 , 0.25, 0.5, 0.75, 1) crystals based on the density functional theory (DFT) with the generalized gradient approximation (GGA) and also considering the on-site Coulomb interaction, the so-called Hubbard correction. We found that the top of the valence band and the bottom of the conduction band of these crystals are mainly formed by the hybridization of the 3d orbitals of mixed Mn $$_{1-x}$$ 1 - x Co $$_{x}$$ x ions and oxygen 2p orbitals. We observed a band gap narrowing with an increase of cobalt concentration and that the Hubbard correction implies a better theoretical description of their electronic structures. When considering the delithiated materials, our calculations show a metallic behavior for intermediate cobalt concentrations ( $$x = 0.25$$ x = 0.25 , 0.5, 0.75), which is a good quality for cathodic materials, as it improves the battery discharge process. We also obtained high (4.14 V vs. Li $$^+$$ + /Li $$^0$$ 0 and 4.16 V vs. Li $$^+$$ + /Li $$^0$$ 0 ) open circuit voltage (OCV) values at cobalt concentrations of $$x = 0.5$$ x = 0.5 and 0.75, where we believe that if these high OCV values are accompanied by a high charge storage capacity, these compounds can become promising and useful cathode materials. Finally, our results are in accordance with previous calculations and also with experimental results.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

نبذة مختصرة في هذا العمل، نبلغ عن حسابات المبدأ الأول للخصائص الكهروكيميائية لـ LiMn المتحجرة والمحددة $$_{ 1 - x $ 1 - x Co $$_{ x }$ x BO $$_3 $$ 3 ($$ x = 0 $ x = 0 , 0.25, 0.5, 0.75, 1) بلورات بناءً على نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) مع تقريب التدرج المعمم (GGA) وأيضًا مع الأخذ في الاعتبار تفاعل كولوم في الموقع، ما يسمى بتصحيح هوبارد. وجدنا أن الجزء العلوي من نطاق التكافؤ والجزء السفلي من نطاق التوصيل لهذه البلورات يتشكلان بشكل أساسي من خلال تهجين المدارات ثلاثية الأبعاد للملايين المختلطة $$_{ 1 - x}$ 1 - x Co $$_{ x}$ x الأيونات والأكسجين 2p المدارات. لاحظنا تضييق فجوة النطاق مع زيادة تركيز الكوبالت وأن تصحيح هوبارد ينطوي على وصف نظري أفضل لهياكلها الإلكترونية. عند النظر في المواد المحللة، تظهر حساباتنا سلوكًا معدنيًا لتركيزات الكوبالت المتوسطة ($ x = 0.25 $ x = 0.25 ، 0.5، 0.75)، وهي نوعية جيدة للمواد الكاثودية، لأنها تحسن عملية تفريغ البطارية. حصلنا أيضًا على قيم عالية (4.14 فولت مقابل لي $$^+$+/ لي $$^ 0 $$ 0 و 4.16 فولت مقابل لي $$^+$$/ لي $^ 0 $$ 0 ) لجهد الدائرة المفتوحة (OCV) بتركيزات الكوبالت $$ x = 0.5 $ x = 0.5 و 0.75، حيث نعتقد أنه إذا كانت هذه القيم المرتفعة لجهد الدائرة المفتوحة مصحوبة بسعة تخزين عالية الشحنة، فيمكن أن تصبح هذه المركبات مواد كاثود واعدة ومفيدة. أخيرًا، تتوافق نتائجنا مع الحسابات السابقة وأيضًا مع النتائج التجريبية.

Translated Description (French)

Résumé Dans ce travail, nous rapportons des calculs de premier principe des propriétés électrochimiques des cristaux de LiMn lithiés et délithiés $$_{1-x}$$ 1 - x Co $$_{x}$$ x BO $$_3 $$ 3 ( $$x = 0 $ $$ x = 0 , 0.25, 0.5, 0.75, 1) basés sur la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) avec l'approximation du gradient généralisé (GGA) et en considérant également l'interaction de Coulomb sur site, la correction dite de Hubbard. Nous avons constaté que le haut de la bande de valence et le bas de la bande de conduction de ces cristaux sont principalement formés par l'hybridation des orbitales 3d des ions mixtes Mn $$_{1-x}$$ 1 - x Co $$_{x}$$ x et des orbitales oxygène 2p. Nous avons observé un rétrécissement de la bande interdite avec une augmentation de la concentration de cobalt et que la correction de Hubbard implique une meilleure description théorique de leurs structures électroniques. En considérant les matériaux délithiés, nos calculs montrent un comportement métallique pour les concentrations intermédiaires de cobalt ( $$x = 0,25 $$ x = 0,25 , 0,5, 0,75), ce qui est une bonne qualité pour les matériaux cathodiques, car cela améliore le processus de décharge de la batterie. Nous avons également obtenu des valeurs élevées (4,14 V vs Li $ $ ^ + $ $ + /Li $$^0 $$ 0 et 4,16 V vs Li $$^+$$ + /Li $$^0 $$ 0 ) de tension en circuit ouvert (OCV) à des concentrations de cobalt de $$x = 0,5 $$ x = 0,5 et 0,75, où nous pensons que si ces valeurs élevées OCV sont accompagnées d'une capacité de stockage de charge élevée, ces composés peuvent devenir des matériaux cathodiques prometteurs et utiles. Enfin, nos résultats sont conformes aux calculs antérieurs et également aux résultats expérimentaux.

Translated Description (Spanish)

Resumen En este trabajo, informamos cálculos de primer principio de las propiedades electroquímicas de LiMn litiado y delitiado $$_{1-x}$$ 1 - x Co $$_{x}$ $ x BO $ $_3 $ $ 3 ($ $ x = 0 $ $ x = 0 , 0.25, 0.5, 0.75, 1) cristales basados en la teoría funcional de densidad (DFT) con la aproximación de gradiente generalizada (GGA) y también considerando la interacción de Coulomb en el sitio, la llamada corrección de Hubbard. Descubrimos que la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción de estos cristales se forman principalmente por la hibridación de los orbitales 3d de Mn mixto $$_{1-x}$$ 1 - x Co $$_{x}$$ x iones y orbitales 2p de oxígeno. Observamos un estrechamiento de la banda prohibida con un aumento de la concentración de cobalto y que la corrección de Hubbard implica una mejor descripción teórica de sus estructuras electrónicas. Al considerar los materiales delitiados, nuestros cálculos muestran un comportamiento metálico para las concentraciones intermedias de cobalto ( $$x = 0.25 $$ x = 0.25 , 0.5, 0.75), que es de buena calidad para los materiales catódicos, ya que mejora el proceso de descarga de la batería. También obtuvimos valores altos (4.14 V vs. Li $$^+$$ $ + /Li $$^0 $$ 0 y 4.16 V vs. Li $$^+$$ $ + /Li $$^0 $$ 0 ) de voltaje de circuito abierto (OCV) a concentraciones de cobalto de $$x = 0.5 $$ x = 0.5 y 0.75, donde creemos que si estos altos valores de OCV se acompañan de una alta capacidad de almacenamiento de carga, estos compuestos pueden convertirse en materiales catódicos prometedores y útiles. Finalmente, nuestros resultados están de acuerdo con los cálculos anteriores y también con los resultados experimentales.

Files

s41598-021-90317-0.pdf.pdf

Files (1.5 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:b2fe66bc48c945fc39abd8c315dbfd20
1.5 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نمذجة الخصائص الكهروكيميائية لـ LiMn $$_{ 1 - x }$$$ Co $$_{ x }$$$ BO $$$_3 $$ لمواد الكاثود في بطاريات ليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن
Translated title (French)
Modélisation des propriétés électrochimiques de LiMn$$_{1-x}$ $$Co$$_{x}$ $ BO $ $_3 $ $ pour les matériaux de cathode dans les batteries rechargeables lithium-ion
Translated title (Spanish)
Modelado de propiedades electroquímicas de LiMn$$_{1-x}$$Co$$_{x}$ $ BO $ $_3 $ $ para materiales de cátodo en baterías recargables de iones de litio

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3165203016
DOI
10.1038/s41598-021-90317-0

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W1828119009
  • https://openalex.org/W1845100986
  • https://openalex.org/W1854827278
  • https://openalex.org/W1913039839
  • https://openalex.org/W1966858105
  • https://openalex.org/W1972423910
  • https://openalex.org/W1973768816
  • https://openalex.org/W1974699175
  • https://openalex.org/W1985628158
  • https://openalex.org/W1986731219
  • https://openalex.org/W1989937017
  • https://openalex.org/W2002293583
  • https://openalex.org/W2007395042
  • https://openalex.org/W2027887571
  • https://openalex.org/W2028056984
  • https://openalex.org/W2033982463
  • https://openalex.org/W2046693829
  • https://openalex.org/W2060937228
  • https://openalex.org/W2063832784
  • https://openalex.org/W2065077785
  • https://openalex.org/W2070412770
  • https://openalex.org/W2070978882
  • https://openalex.org/W2078899608
  • https://openalex.org/W2080481030
  • https://openalex.org/W2092098411
  • https://openalex.org/W2099083572
  • https://openalex.org/W2125467115
  • https://openalex.org/W2136065413
  • https://openalex.org/W2136822440
  • https://openalex.org/W2140860165
  • https://openalex.org/W2157912858
  • https://openalex.org/W2178263042
  • https://openalex.org/W2316091985
  • https://openalex.org/W2317861930
  • https://openalex.org/W2323752291
  • https://openalex.org/W2330420711
  • https://openalex.org/W2331109089
  • https://openalex.org/W2508290364
  • https://openalex.org/W2733595133
  • https://openalex.org/W2802839226
  • https://openalex.org/W2806568879
  • https://openalex.org/W2818326011
  • https://openalex.org/W2890489016
  • https://openalex.org/W2955422908
  • https://openalex.org/W3089187769
  • https://openalex.org/W3092774122
  • https://openalex.org/W4211137059