[论文解读] MXenes as High Capacity Electrode Materials for Metal (Li, Na, K, Ca)-ion batteries

Dequan Er, Junwen Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2013

MXene and MAX Phase Materials被引用 4

一句话总结

本研究利用第一性原理密度泛函理论，研究了Ti₃C₂ MXene作为多价离子和碱金属离子电池的高容量负极材料。结果表明，Li、Na、K和Ca离子在Ti₃C₂上的吸附能力很强，其理论容量分别为639.5、319.8、191.8和159.9 mAh g⁻¹。由于Li离子半径小，其覆盖度依赖性最小，显示出作为下一代电池负极材料的强劲潜力。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) materials can have an excellent capability to handle high rates of charge in ion batteries since metal ions need not diffuse in a 3D lattice structure. However graphene, which is the most important 2D material, is known to have no Li capacity. Herein, adsorption of Li, as well as Na, K, and Ca on Ti$_3$C$_2$, one representative MXene, is predicted by first-principles density functional calculations. In our study, we observed that these alkali ions exhibit different adsorption energy depending on the coverage. The adsorption energies of Na, K and Ca decrease as coverage increases, while Li shows little sensitivity to variance in coverage. This observed relationship between adsorption energies and coverage of alkali ions on Ti$_3$C$_2$ can be explained by their effective ionic radii. A larger effective ionic radius increases interaction between alkali atoms, thus lower capacity and coverage are obtained. Our calculated capacity values for Li, Na, K and Ca on Ti$_3$C$_2$ are 639.5, 319.8, 191.8 and 159.9 mAh g$^{-1}$, respectively. Compared to materials currently used in Li ion battery anodes, MXene shows great promise in increasing overall battery performance.

研究动机与目标

• 评估Li、Na、K和Ca离子在Ti₃C₂ MXene上的吸附行为，以用于多价离子和碱金属离子电池。
• 确定这些离子在MXene表面的容量及其覆盖度依赖性。
• 通过有效离子半径分析，理解离子尺寸对吸附能和容量的影响。
• 将MXene的性能与当前商用锂离子电池负极材料进行比较。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，模拟Li₃C₂ MXene上的离子吸附行为。
• 在不同表面覆盖度下计算吸附能，以评估容量趋势。
• 将Li、Na、K和Ca的有效离子半径与观测到的吸附能及容量变化相关联。
• 基于每种离子在Ti₃C₂表面的最大稳定覆盖度，计算容量值。
• 分析电子结构和电荷转移，以理解离子键合机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 离子覆盖度如何影响Li、Na、K和Ca在Ti₃C₂ MXene上的吸附能？
• RQ2 有效离子半径与Ti₃C₂上的吸附容量之间存在何种关系？
• RQ3 为何Li对覆盖度变化的敏感性低于其他离子？
• RQ4 Ti₃C₂在Li、Na、K和Ca离子电池中的理论容量是多少？
• RQ5 MXene在多价离子和碱金属离子体系中，与传统负极材料相比，其容量表现如何？

主要发现

• Li在Ti₃C₂上的理论容量为639.5 mAh g⁻¹，显著高于传统石墨负极的容量。
• Na、K和Ca的吸附能随覆盖度增加而降低，表明离子间排斥作用增强。
• 由于Li的有效离子半径小，其对覆盖度变化的敏感性最低，从而实现稳定且高容量的性能。
• Na在Ti₃C₂上的容量为319.8 mAh g⁻¹，而K和Ca的容量分别为191.8和159.9 mAh g⁻¹。
• 观测到的容量趋势与离子的有效离子半径密切相关，离子越大，容量越低，这是由于排斥作用增强所致。
• MXene在多价离子和碱金属离子电池中表现出作为高容量负极材料的强劲潜力，其理论容量优于当前商用负极材料。