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QUICK REVIEW

[논문 리뷰] Influence of stacking, coordination, and surface chemistry on Al intercalation in V$_2$CT$_2$ and Ti$_3$C$_2$T$_2$ MXenes for Al-ion batteries

Amal raj Veluthedath nair, Nuala M. Caffrey|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 03.
MXene and MAX Phase Materials인용 수 0
한 줄 요약

본 연구는 밀도범함 이론을 사용하여 MXene 적층, 표면 종말화, 및 삽입 조정이 Ti3C2T2 및 V2CT2에서 Al 이삽 에너지, 확산 장애 및 용량을 지배함을 보인다.

ABSTRACT

As the energy storage ecosystem evolves beyond lithium, MXenes, a versatile family of 2D materials derived from MAX phases, have emerged as promising candidates for next-generation energy storage electrodes due to their tunable surface chemistry, large interlayer spacing, and excellent electronic conductivity. In this work, we use density functional theory to investigate Ti$_3$C$_2$ and V$_2$C MXenes as cathodes in Al-ion batteries. Four stacking configurations of the two-dimensional sheets and two different ion coordination sites are evaluated to understand their influence on ion intercalation and mobility. We find that the stacking configuration and surface chemistry critically impact interlayer spacing and electrochemical performance. O-terminated layers in an octahedral stacking exhibit remarkable structural stability with minimal interlayer expansion upon ion intercalation, particularly for Al intercalation in V$_2$C which exhibits an interlayer expansion of 0.1 angstrom, consistent with experimental findings. While octahedral stacking is observed to be energetically more favourable, it reduces ion mobility compared to prismatic stacking. Furthermore, O-terminated MXenes exhibit high theoretical specific capacities, reaching more than 270 mAh/g. F-terminated MXenes are considerably more unstable after intercalation and as a result exhibit much lower Al capacities. These findings highlight the importance of stacking configurations, termination and intercalant chemistry in MXenes for battery applications.

연구 동기 및 목표

  • MXene 적층 구성(옥트라헤드/옥타형 대 프리즘형)이 층간 간격 및 Al 이삽 에너지에 미치는 영향을 평가한다.
  • 표면 종말화(O 대 F)가 Al 이삽의 열역학 및 용량에 미치는 영향을 평가한다.
  • 다양한 적층에서의 Al 확산 장벽을 검토하여 이온 이동성 및 주기 안정성을 추정한다.
  • Ti3C2T2 및 V2CT2에서 현실적인 삽입 조건하에서 최대 Al 농도 및 전압 프로파일을 결정한다

제안 방법

  • PAW, PBE-GGA 및 D3 분산 보정을 사용한 밀도 범함 이론 계산으로 Ti3C2T2 및 V2CT2 MXenes를 모델링한다.
  • O 및 F 종말화를 균일하게 적용한 4가지 적층 구성(WS-oct, ZZ-oct, ZZ-pris, WS-pris)을 탐색한다.
  • 3x3x1 초격자를 사용하여 희석 및 농도 높은 Al, Na, Mg 이삽을 적절한 k-점 샘플링으로 모델링한다.
  • V(x) = -ΔG/(zF)로 형성에너지에서 개회 전압을 계산하고 ΔG는 E(AlxMXene) - E(MXene) - xE(Al)로 근사한다.
  • ZZ-oct 및 ZZ-pris Ti3C2O2 및 V2CO2에서 NEB를 사용하여 Al 이동 장벽을 추정한다.
Fig. 1: (a) WS–oct Ti 3 C 2 T 2 , (b) WS–pris Ti 3 C 2 T 2 , (c) ZZ–oct Ti 3 C 2 T 2 , and (d) WS–pris Ti 3 C 2 T 2 . (e), (f), (g), and (h) present the corresponding V 2 CT 2 structures.
Fig. 1: (a) WS–oct Ti 3 C 2 T 2 , (b) WS–pris Ti 3 C 2 T 2 , (c) ZZ–oct Ti 3 C 2 T 2 , and (d) WS–pris Ti 3 C 2 T 2 . (e), (f), (g), and (h) present the corresponding V 2 CT 2 structures.

실험 결과

연구 질문

  • RQ1MXene 적층(옥트형 대 프리스틱형)이 층간 간격 및 Al 이삽 에너지에 어떤 영향을 미치는가?
  • RQ2표면 종말화(O 대 F)가 Al 이삽의 열역학 및 용량에 어떤 영향을 주는가?
  • RQ3Al 확산 장벽은 적층 및 종말화에 따라 어떻게 달라지며, 이는 주기 안정성에 무엇을 시사하는가?
  • RQ4Ti3C2T2 및 V2CT2 MXene에 대한 최대 달성 가능한 Al 농도 및 해당 전압/용량은 무엇인가?
  • RQ5같은 기질에서 Na, Mg 등 다른 삽입 물질과 비교할 때 이러한 요인들이 Al에 대해 어떻게 다르게 작용하는가?

주요 결과

  • 무삽입 MXenes에 대해 옥트(옥트라헤드) 적층이 프리즘형에 비해 에너지를 더 안정적으로 만드는 경향이 있으며, Ti3C2T2의 경우 옥트-프리스 간 차이는 최대 90 meV/f.u. 수준이고 V2CT2의 경우 63 meV/f.u. 수준이다.
  • Al 이삽 시 ZZ-oct 적층이 ZZ-pris보다 더 안정적이며, 특히 ZZ-oct에서 O 종말화일 때 Al 이삽이 열역학적으로 바람직하다.
  • O-종말화된 MXene는 Al 농도를 더 높게 유지할 수 있으며(재료에 따라 0.55–0.77 Al/f.u.까지), 음전압이 양상으로 나타날 가능성이 높다. 반면 F-종말화 MXene는 안정성 및 용량이 훨씬 낮은 경향이 있으며(V2CO2 최대 277.63 mAh/g; V2CF2 약 166.51 mAh/g; Ti3C2F2 비유리), 불리하다.
  • ZZ-oct에서의 Al 확산 장벽이 ZZ-pris에 비해 더 높아( Ti3C2O2: 1.32 eV; V2CO2: 1.44 eV / Ti3C2O2: 0.59 eV; V2CO2: 0.50 eV), 옥트릭적 적층에서 확산이 느리다를 시사한다.
  • O-종말 ZZ-oct 구조에서의 층간 확장은 Al 이삽 시 미미하며(Δd ≈ 0.1 Å in V2CO2; 다양한 pris/oct 구성에서 0.12–0.43 Å까지 증가), 층 간 호흡이 실험적으로도 최소화된 것으로 관찰된다.
  • 총 전하 이전은 TM 및 종말화 원자가 Al 유래 전하 재분배를 주도하며, 특히 높은 Al 부하에서 TM-싱크 참여가 증가하고 O-종말 MXene에서 더 강하게 나타난다.
Fig. 2: (a) Energy difference between ZZ–oct and ZZ–pris stacking ( $\Delta E_{\mathrm{oct-pris}}$ ) for Ti 3 C 2 T 2 (b) Energy difference between ZZ–oct and ZZ–pris stacking for V 2 CT 2 , where T = –O and T = –F terminations are denoted as solid blue and dashed orange lines. Units are meV per for
Fig. 2: (a) Energy difference between ZZ–oct and ZZ–pris stacking ( $\Delta E_{\mathrm{oct-pris}}$ ) for Ti 3 C 2 T 2 (b) Energy difference between ZZ–oct and ZZ–pris stacking for V 2 CT 2 , where T = –O and T = –F terminations are denoted as solid blue and dashed orange lines. Units are meV per for

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이 리뷰는 AI가 만들고, 인간 에디터가 검토했습니다.