近年来,随着便携式电子设备和电动汽车行业的快速发展,具有高能量密度、高充放电速率的金属离子电池受到人们的广泛关注,同时促进了对高容量金属离子电池阳极材料的开发。二维材料由于具有高比表面积、高柔韧性和高载流子迁移率等优点,被认为是下一代金属离子电池阳极材料潜在的候选者。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统评估了硼烯/石墨烯双层结构、锑烯及其衍生物、硼烯等四类低维纳米体系作为金属离子电池阳极材料的性能,主要分析研究了金属原子在材料表面的吸附特性和扩散过程,给出其作为金属离子电池阳极材料的最大理论比容量、平均开路电压等参数。主要研究结果如下:(1)对硼烯/石墨烯双层结构的研究发现,Li、Na、K三种金属原子都能稳定吸附在硼烯和石墨烯表面,在硼烯一侧其最稳定吸附位置为形成硼-碳键的硼原子正上方,在石墨烯一侧则为石墨烯六元环的中心位置的正上方,且吸附能均大于相应内聚能;差分电荷密度的分析给出被吸附的金属原子与表面之间存在着明显的电荷转移,进一步说明硼烯/石墨烯双层结构对金属原子具有很强的吸附性。对金属原子扩散过程的研究给出,Li、Na、K在硼烯/石墨烯双层结构表面的扩散势垒依次降低,其中K原子扩散势垒最低(0.09e V),预示着较高的充放电速率。进一步地研究了硼烯/石墨烯双层结构对多个金属原子的吸附,Li、Na、K的最高吸附浓度依次为2.0、1.56、0.5,其中Li对应的理论比容量最高,约1880.7 m A·h/g。(2)对锑烯及其衍生物的研究给出,单层锑烯、双层锑烯以及锑烯/石墨烯异质结对Mg原子都具有较好的吸附特性,其最稳定吸附位置为锑六元环中心正上方,从吸附能的角度得知镁原子的吸附属于自发的反应过程。对扩散过程的研究给出,Mg在锑烯表面沿4-4'路径的扩散势垒最低,仅为73 me V。进一步地研究发现,4×4的锑烯超胞表面最多可以吸附24个Mg原子,最大理论比容量为735.5 m A·h/g,远高于锑烯存储Li/Na离子的最大理论比容量。与单层锑烯相比,Mg在锑烯/石墨烯异质结表面的扩散势垒进一步降低,且在电池循环过程中具有更好的稳定性。(3)对β12、χ3和pmmn三种结构的硼烯储镁特性进行了研究,发现对于β12和χ3结构的硼烯,单个Mg原子最稳定的吸附位置为硼六元环中心的正上方,而在pmmn结构硼烯表面Mg更倾向于吸附在‘谷’中硼-硼键的上方,其吸附能约-2.24 e V。对扩散过程的分析给出,Mg在pmmn结构硼烯的‘谷’中扩散时具有较低的扩散势垒,预示着较高的充放电速率。随着硼烯表面Mg原子浓度的升高,Mg原子均匀地吸附在硼烯两侧,在没有硼-硼键断裂的前提下,理论计算得到较高的理论比容量,其中β12结构硼烯存储镁的理论比容量可高达3970 m A·h/g,研究结果表明硼烯是镁离子电池阳极材料潜在的候选。
As the lightest two-dimensional material,monolayer borophene exhibits great potential as electrode materials,but it suffers from stability issues in the free-standing ***,the striped-borophene and graphene bilayer(sB/...
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As the lightest two-dimensional material,monolayer borophene exhibits great potential as electrode materials,but it suffers from stability issues in the free-standing ***,the striped-borophene and graphene bilayer(sB/Gr)is found to be a high-performance anode material for rechargeable alkali-metal ion *** first-principles results show that all the three alkali-metal atoms,Li,Na,and K,can be strongly adsorbed on sB/Gr with ultra-low diffusion barriers than that on pristine borophene/graphene,indicating good charge-discharge ***,high storage capacities are proposed for LIBs(1880 mA·h/g),NIBs(1648 mA·h/g),and KIBs(470 m A·h/g)with relatively small lattice change rate(<2.9%)in the process of alkali-metal atoms *** intriguing features of sB/Gr make it an excellent choice for batteries.
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