[论文解读] Defective graphene as promising anode material for Na-ion battery and Ca-ion battery

Dibakar Datta, Junwen Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2013

Advancements in Battery Materials被引用 3

一句话总结

本研究证明，缺陷石墨烯，尤其是存在双空位（DV）和Stone-Wales（SW）缺陷时，能够实现对Na和Ca离子的强吸附，使其成为钠离子和钙离子电池负极材料的极具前景的选择。增强的吸附能力源于缺陷引起的电荷转移增加，当双空位缺陷密度达到最大值时，理论容量可分别达到1459 mAh/g（钠离子电池）和2900 mAh/g（钙离子电池）。

ABSTRACT

We have investigated adsorption of Na and Ca on graphene with divacancy (DV) and Stone-Wales (SW) defect. Our results show that adsorption is not possible on pristine graphene. However, their adsorption on defective sheet is energetically favorable. The enhanced adsorption can be attributed to the increased charge transfer between adatoms and underlying defective sheet. With the increase in defect density until certain possible limit, maximum percentage of adsorption also increases giving higher battery capacity. For maximum possible DV defect, we can achieve maximum capacity of 1459 mAh/g for Na-ion batteries (NIBs) and 2900 mAh/g for Ca-ion batteries (CIBs). For graphene full of SW defect, we find the maximum capacity of NIBs and CIBs is around 1071 mAh/g and 2142 mAh/g respectively. Our results will help create better anode materials with much higher capacity and better cycling performance for NIBs and CIBs.

研究动机与目标

• 研究缺陷石墨烯作为钠离子和钙离子电池负极材料的可行性。
• 理解特定缺陷——双空位（DV）和Stone-Wales（SW）——如何相较于本征石墨烯增强离子吸附。
• 量化缺陷石墨烯在钠离子和钙离子电池中可实现的最大理论容量。
• 将缺陷密度与吸附能和容量相关联，以优化负极性能。
• 为设计高容量、稳定的多价离子电池负极材料提供理论基础。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算，模拟Na和Ca离子在本征、双空位（DV）及Stone-Wales（SW）缺陷石墨烯片上的吸附行为。
• 通过电子结构分析，研究吸附原子（Na、Ca）与缺陷石墨烯之间的电荷转移。
• 评估吸附能和结合构型，以确定离子吸附的热力学可行性。
• 系统性地将缺陷密度增加至理论最大值，以评估容量的扩展能力。
• 比较DV和SW缺陷在离子结合能和理论容量方面的性能表现。
• 利用计算得到的总能量变化，估算负极材料的理论比容量。

实验结果

研究问题

• RQ1 Na和Ca离子能否在本征石墨烯上有效吸附，还是必须依赖缺陷工程？
• RQ2 双空位（DV）和Stone-Wales（SW）缺陷如何影响Na和Ca离子的吸附能与电荷转移？
• RQ3 缺陷石墨烯在钠离子和钙离子电池中可实现的最大理论容量是多少？
• RQ4 增加缺陷密度如何影响离子吸附容量和稳定性？
• RQ5 在多价离子电池中，哪种缺陷类型——DV或SW——能提供更高的容量和更优的离子结合性能？

主要发现

• 在本征石墨烯上，Na和Ca离子的吸附在能量上不利，原因是电荷转移可忽略不计。
• 双空位（DV）和Stone-Wales（SW）等缺陷通过增加对吸附原子的电荷转移，显著增强离子吸附。
• 当双空位（DV）缺陷密度达到最大可能值时，钠离子电池的理论容量可达1459 mAh/g，钙离子电池可达2900 mAh/g。
• 对于完全被Stone-Wales（SW）缺陷修饰的石墨烯，其理论容量分别为钠离子电池1071 mAh/g和钙离子电池2142 mAh/g。
• 容量随缺陷密度的增加而提升，直至某一极限，表明缺陷浓度与离子存储能力之间存在强烈相关性。
• 结果表明，通过缺陷工程可实现高容量负极，显著提升多价离子电池的循环性能。