Skip to main content
Log in

Antisite defects and Mg doping in LiFePO4: a first-principles investigation

  • Published:
Applied Physics A Aims and scope Submit manuscript

Abstract

Atomic and electronic structures of LiFePO4 with the antisite defect and Mg doping at Li and Fe sites have been investigated using first-principles density-functional theory with the on-site Coulomb interaction taken into account. It is demonstrated that the most favorable antisite defect type is the exchange defect, in which Li and Fe ions exchange positions. The resultant longer Fe–O bond and narrower band gap drop a hint that the electronic and ionic transport properties may be improved. For the case of Mg doping, Mg is preferentially doped at the Fe site instead of the Li site to form a new LiFe1−y Mg y PO4 solid solution, leading to a higher ionic conductivity. Moreover, the dependence of the electrochemical properties on the concentration of Mg dopant has also been discussed.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Similar content being viewed by others

References

  1. A.K. Padhi, K.S. Nanjundaswamy, J.B. Goodenough, J. Electrochem. Soc. 144, 1188 (1997)

    Article  Google Scholar 

  2. R. Amin, C.T. Lin, J. Maier, Phys. Chem. Chem. Phys. 10, 3519 (2008)

    Article  Google Scholar 

  3. M. Armand, J.-M. Tarascon, Nature 451, 652 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  4. M.S. Whittingham, Chem. Rev. 104, 4271 (2004)

    Article  Google Scholar 

  5. H. Huang, S.C. Yin, L.F. Nazar, Electrochem. Solid-State Lett. 4, A170 (2001)

    Article  Google Scholar 

  6. M.S. Islam, D.J. Driscoll, C.A.J. Fisher, P.R. Slater, Chem. Mater. 17, 5085 (2005)

    Article  Google Scholar 

  7. W. Sigle, R. Amin, K. Weichert, P.A. van Aken, J. Maier, Electrochem. Solid-State Lett. 12(8), A151 (2009)

    Article  Google Scholar 

  8. A.S. Andersson, J.O. Thomas, B. Kalska, L. Häggström, Electrochem. Solid-State Lett. 3, 66 (2000)

    Article  Google Scholar 

  9. P.P. Prosini, M. Lisi, D. Zane, M. Pasquali, Solid State Ion. 148, 45 (2002)

    Article  Google Scholar 

  10. N. Ravet, Y. Chouinard, J.F. Magnan, S. Besner, M. Gauthier, M. Armand, J. Power Sources 503, 97 (2001)

    Google Scholar 

  11. R. Dominko, M. Gaberscek, J. Drofenik, M. Bele, J. Jamnik, Electrochim. Acta 48, 3709 (2003)

    Article  Google Scholar 

  12. D. Choi, P.N. Kumta, J. Power Sources 163, 1064 (2007)

    Article  Google Scholar 

  13. S.Y. Chung, Y.M. Chiang, Electrochem. Solid-State Lett. 6, A278 (2003)

    Article  Google Scholar 

  14. P.S. Herle, B. Ellis, N. Coombs, L.F. Nazar, Nat. Mater. 3, 147 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  15. S.Y. Chung, J.T. Bloking, Y.M. Chiang, Nat. Mater. 1, 123 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  16. J. Hong, C. Wang, U. Kasavajjula, J. Power Sources 162, 1289 (2006)

    Article  Google Scholar 

  17. C.H. Mi, X.G. Zhang, X.B. Zhao, H.L. Li, Mater. Sci. Eng. B 8, 129 (2006)

    Google Scholar 

  18. D.Y. Wang, H. Li, S.Q. Shi, X.J. Huang, L.Q. Chen, Electrochim. Acta 50, 2955 (2005)

    Article  Google Scholar 

  19. G.X. Wang, S. Needham, J. Yao, J.Z. Wang, S. Needham, R.S. Liu, H.K. Liu, J. Power Sources 159, 282 (2006)

    Article  Google Scholar 

  20. X.F. Ouyang, S.Q. Shi, C.Y. Ouyang, D.Y. Jiang, D.S. Liu, Z.Q. Ye, M.S. Lei, Chin. Phys. 16, 3042 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  21. S.Q. Shi, L.J. Liu, C.Y. Ouyang, D.S. Wang, Z.X. Wang, L.Q. Chen, X.J. Huang, Phys. Rev. B 68, 195108 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  22. X.Z. Liao, Y.S. He, Z.F. Ma, X.M. Zhang, L. Wang, J. Power Sources 174, 720 (2007)

    Article  Google Scholar 

  23. Z.J. Liu, X.J. Huang, D.S. Wang, Solid State Commun. 147, 505 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  24. N. Ravet, A. Abouimrane, M. Armand, Nat. Mater. 2, 702 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  25. J. Barker, M.Y. Saidi, J.L. Swoyer, Electrochem. Solid-State Lett. 6, A53 (2003)

    Article  Google Scholar 

  26. M.R. Roberts, G. Vitins, J.R. Owen, J. Power Sources 179, 754 (2009)

    Article  Google Scholar 

  27. H. Liu, J.Y. Xie, J. Mater. Process. Technol. 209, 477 (2009)

    Article  Google Scholar 

  28. D. Arumugam, G.P. Kalaignan, P. Manisankar, J. Solid State Electrochem. 13, 301 (2009)

    Article  Google Scholar 

  29. P.E. Blöhl, Phys. Rev. B 50, 17953 (1994)

    Article  ADS  Google Scholar 

  30. G. Kresse, J. Furthmüller, Phys. Rev. B 54, 11169 (1996)

    Article  ADS  Google Scholar 

  31. J.P. Perdew, J.A. Chevary, S.H. Vosko, K.A. Jackson, M.R. Pederson, D.J. Singh, C. Fiolhais, Phys. Rev. B 46, 6671 (1992)

    Article  ADS  Google Scholar 

  32. A.I. Liechtenstein, V.I. Anisimov, J. Zaanen, Phys. Rev. B 52, R5467 (1995)

    Article  ADS  Google Scholar 

  33. F. Zhou, K. Kang, T. Maxisch, G. Ceder, D. Morgan, Solid State Commun. 132, 181 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  34. M. Cococcioni, S. de Gironcoli, Phys. Rev. B 71, 035105 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  35. M. Methfessel, A.T. Paxton, Phys. Rev. B 40, 3616 (1989)

    Article  ADS  Google Scholar 

  36. P.E. Blöhl, O. Jepsen, O.K. Andersen, Phys. Rev. B 49, 16223 (1994)

    Article  ADS  Google Scholar 

  37. F. Zhou, M. Cococcioni, C.A. Marianetti, D. Morgan, G. Ceder, Phys. Rev. B 70, 235121 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  38. T. Thonhauser, G.S. Jeon, G.D. Mahan, J.O. Sofo, Phys. Rev. B 68, 205207 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  39. G.R. Gardiner, M.S. Islam, Chem. Mater. 22, 1242 (2010)

    Article  Google Scholar 

  40. J.J. Chen, M.J. Vacchio, S.J. Wang, N. Chernova, P.Y. Zavalij, M.S. Whittingham, Solid State Ion. 178, 1676 (2008)

    Article  Google Scholar 

  41. C.A.J. Fisher, Veluz M. Hart Prieto, M.S. Islam, Chem. Mater. 20, 5907 (2008)

    Article  Google Scholar 

  42. S. Hamelet, P. Gibot, M. Casas Cabanas, D. Bonnin, C.P. Grey, J. Cabana, J.B. Leriche, J. Rodriguez Carvajal, M. Courty, S. Levasseur, P. Carlach, M. Van Thournout, J.M. Tarascon, C. Masquelier, J. Mater. Chem. 19, 3979 (2009)

    Article  Google Scholar 

  43. C.Y. Ouyang, S.Q. Shi, Z.X. Wang, X.J. Huang, L.Q. Chen, Phys. Rev. B 69, 104303 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  44. C.Y. Ouyang, S.Q. Shi, Z.X. Wang, Z.X. Wang, H. Li, X.J. Huang, L.Q. Chen, J. Phys., Condens. Matter 16, 2265 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  45. D. Morgan, A. Van der Ven, G. Ceder, Electrochem. Solid-State Lett. 7, A30 (2004)

    Article  Google Scholar 

  46. A. Yamada, M. Hosoya, S.C. Chung, Y. Kudo, K. Hinokuma, K.Y. Liu, Y. Nishi, J. Power Sources 232, 119 (2003)

    Google Scholar 

  47. A. Deb, U. Bergmann, E.J. Cairns, S.P.J. Cramer, J. Phys. Chem. B 108, 7046 (2004)

    Article  Google Scholar 

  48. A.A.M. Prince, S. Mylswamy, T.S. Chan, R.S. Liu, B. Hannoyer, M. Jean, C.H. Shen, S.M. Huang, J.F. Lee, C.Y. Wang, Solid State Commun. 132, 455 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  49. Z.P. Guo, H. Liu, S. Bewlay, H.K. Liu, S.X. Dou, Synth. Met. 153, 113 (2005)

    Article  Google Scholar 

  50. G.X. Wang, S.L. Bewlay, K. Konstantinov, H.K. Liu, S.X. Dou, J.H. Ahn, Electrochim. Acta 50, 443 (2004)

    Article  Google Scholar 

  51. R.D. Shannon, Acta Crystallogr. A, Found. Crystallogr. 32, 751 (1976)

    Article  ADS  Google Scholar 

  52. D. Wang, C. Ouyang, T. Drézen, I. Exnar, A. Kay, N.H. Kwon, P. Gouerec, J.H. Miners, M. Wang, M. Grätzel, J. Electrochem. Soc. 157, A225 (2010)

    Article  Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to Siqi Shi.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Zhang, H., Tang, Y., Shen, J. et al. Antisite defects and Mg doping in LiFePO4: a first-principles investigation. Appl. Phys. A 104, 529–537 (2011). https://doi.org/10.1007/s00339-011-6309-0

Download citation

  • Received:

  • Accepted:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00339-011-6309-0

Keywords

Navigation