浓度驱动的磁相变对 VSe2 单层吸附和扩散的影响：对锂离子电池的启示
二硒化钒 VSe2 单层是一种二维（2D）磁性材料，在室温下表现出铁磁有序性和卓越的金属离子存储能力，使其在自旋电子学和能量存储应用中有用。然而，二硒化钒的磁性和电化学性质之间的稳健相关性仍有待建立。在本研究中，进行了第一性原理密度泛函理论计算，以研究增加锂离子浓度对二硒化钒单层的磁性能，特别是磁性基态的影响。结果表明，随着二硒化钒单层表面Li离子浓度的增加，发生了磁性相变，导致从本征铁磁（FM）态转变为反铁磁（AFM）和非磁性基态。对铁磁和反铁磁二硒化钒单层的扩散特性的分析表明，与FM态相比，AFM态的Li离子扩散能垒显著增加（~71%）。这意味着 FM-VSe2 比 AFM-VSe2 促进相对更快的Li离子扩散。因此，锂离子浓度诱导的二硒化钒单层中的相变导致了可变的吸附和扩散特性，这将对其在锂离子电池负极中的应用具有重要意义。
Nair, A. K.; Silva, C. M. D.; Amon, C. H. Effect of Concentration-Driven Magnetic Phase Changes on Adsorption and Diffusion in VSe2 Monolayers: Implications for Lithium-Ion Batteries. Applied Physics Letters 2023, 123 (18), 183901.
https://doi.org/10.1063/5.0174707
CrXY（X/Y=S，Se，Te）单层膜作为锂和钠离子电池高效负极材料的第一性原理研究
在过去的十年里，二维（2D）材料在储能领域引起了极大的兴趣。大规模电化学储能是基于金属离子在具有范德华间隙的层状材料中的嵌入。在这项工作中，通过第一性原理计算，作者探索了使用2D Janus过渡金属二硫族化合物（TMDs）CrSSe、CrSTe 和 CrSeTe 作为锂和钠离子电池的负极材料。使用密度泛函理论（DFT）计算来检验其电子性质和电化学性能。作者的研究表明，锂在短的扩散距离内易于扩散，并且更倾向于与单层有效结合。这些结构在其裸露相中是金属的。CrSSe、CrSTe 和 CrSeTe 显示的最高吸附能分别为−1.86 eV、−1.66 eV 和 −2.15 eV，Li原子的低扩散势垒分别为 0.3 eV、0.6 eV和0.1 eV，Na 原子的低散射势垒分别为 0.54 eV、0.32 eV 和 0.15 eV。在不同的化学化学计量比下，作者发现锂原子的平均开路电压分别为 1.0 V、0.52 V、0.6 V 和钠原子的平均断路电压分别为0.1 V、0.49 V 和0.51 V，可忽略不计。由CrSSe、CrSTe 和 CrSeTe 显示的存储容量对于 Li 原子分别为 348 mAhg−1、254 mAhg−1、208 mAhg−1 和对于 Na 原子分别为 260 mAhg−1、198 mAhg−1、177 mAhg−1。
Sahoo, S.; Kumari, P.; Ray, S. J. CrXY (X/Y = S, Se, Te) Monolayers as Efficient Anode Materials for Li and Na-Ion Batteries: A First-Principles Study. RSC Adv. 2024, 14 (9), 5771–5781.
https://doi.org/10.1039/D3RA04781D
掺杂增强钠、钾离子在二维二硫化钛中的吸附和扩散
二维（2D）二硫化钛（TiS2）是最轻的过渡金属二硫族化合物（TMD）。与二硫化钼（MoS2）和二硫化铼（ReS2）等其他 TMD 相比，它对钠（Na）和钾（K）离子的吸附和扩散相对较好，是一种很有前途的碱金属离子电池负极材料。先前的研究发现，掺杂显著增强了 2D TMDs 的吸附和扩散能力。本工作首次使用第一性原理计算报道了 Na 和 K 离子在掺杂的二硫化钛单层上的吸附，其中Ti原子被三维过渡金属取代，包括铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）和铜（Cu）。金属原子掺杂导致碱金属离子在二硫化钛表面上的结合显著更强，Na的吸附能在2.07至2.48eV之间，K的吸附能为2.59 至 3.00eV。对于 Fe、Co 和 Ni 掺杂的二硫化钛，碱金属离子的扩散势垒能在掺杂位点附近降低，并随着离子离开掺杂位点而增加。当 Na 离子吸附在 Fe 掺杂的 TiS2 上（增加62%）和 Co 掺杂的二硫化钛上（增加 61%）时，平均开路电压显著增加，而K离子分别导致 9% 和 8% 的适度改善。这些发现表明，金属原子掺杂显著改善了二维二硫化钛的电化学性能，有可能将其用作钠离子和钾离子电池的负极材料。
Nair, A. K.; Da Silva, C. M.; Amon, C. H. Dopant-Enhanced Sodium and Potassium-Ion Adsorption and Diffusion in Two-Dimensional Titanium Disulfide. Journal of Applied Physics 2023, 133 (6), 064302.
https://doi.org/10.1063/5.0132894
镁离子电池用高电容双石墨烯负极材料
在这项研究中，作者提出并研究了一种具有双石墨烯基负极材料的镁离子可充电电池作为替代商用锂离子可充电电池的合适选择的可行性。在基质上的不同位置测试了镁离子的吸附，发现三角位置的吸附最稳定。双石墨烯的 2x2x1 超晶胞最多可容纳 8 个 Mg 离子，这提供了 496.2 mAh/g 的高理论电容。吸附 Mg的负极材料在单个和完全容纳的系统中都是热力学稳定的。Mg 离子通过不同路径运动的NEB计算揭示了离子运动的低扩散势垒，这表明系统中的扩散率更高，充电速率更快，这使得双石墨烯成为用于 Mg 离子电池（MIB）的合适材料。
Dua, H.; Deb, J.; Sarkar, U. High Capacitance Twin‐graphene Anode Material for Magnesium Ion Battery. Energy Storage 2023, 5 (2), e371.
https://doi.org/10.1002/est2.371
Ru掺杂显著增强二维（2D）过渡金属氧化物单层中碱金属离子的吸附和扩散性能
过渡金属氧化物（TMO）是金属离子电池正极的首选材料，因为它们具有高的氧化还原电位和良好的金属离子嵌入能力，是层状硫化物很好的替代品。在这项工作中，作者使用基于密度泛函理论方法的第一原理计算，探索了Ru掺杂的二维过渡金属氧化物 MnO2、CoO2 和 NiO2 单层的结构和电子性质，包括吸附和扩散行为，以及电压分布和存储容量的分析。Ru原子的掺杂增强了碱金属离子（Li，Na）在 TMO 表面的吸附。Ru掺杂使Li/Na离子对 MnO2、CoO2 和 NiO2 的吸附能分别提高了 25%/11%、8%/13% 和 10%/11%。开路电压（OCV）也由于掺杂单层的高吸附能力而增加。Ru 掺杂使半导体 TMO 具有导电性，适用于电池应用。随着碱金属离子向掺杂剂位置靠近，吸附能增加。当碱金属离子靠近掺杂位点附近时，它们的扩散势垒随着距离的增加而减小和升高。作者目前的研究将有助于提高 2D 氧化物材料的存储性能，用于能源收集和绿色能源架构。
Sahoo, S.; Kumari, P.; Som, N. N.; Kar, S.; Ahuja, R.; Ray, S. J. Remarkable Enhancement of the Adsorption and Diffusion Performance of Alkali Ions in Two-Dimensional (2D) Transition Metal Oxide Monolayers via Ru-Doping. Sci Rep 2024, 14 (1), 4371.
https://doi.org/10.1038/s41598-024-53966-5
更多案例
QuantumATK在电池与能源材料中的应用
电池与能源材料研究案例集（五）本文
点击“阅读原文”
