西安建筑大学《JPCC》：双石墨烯：一种有前途的超高比容量锂离子电池负极材料

成果简介

锂离子电池长期以来一直是储能的重点。本文，西安建筑大学Shuli Gao、陈长城 副教授等在《J. Phys. Chem. C》期刊发表名为“Twin-Graphene: A Promising Anode Material for Lithium-Ion Batteries with Ultrahigh Specific Capacity”的论文，研究采用第一性原理密度泛函理论方法研究了碳衍生结构作为锂离子电池负极的潜在应用。计算结果表明，修正的晶格常数、结构和参数与早期研究相似。值得注意的是，双石墨烯双层对锂有几个稳定的吸附位点。同时，发现原始双石墨烯半导体的特性在吸收锂后转变为金属性能。通过攀登图像推导弹性带计算，我们得到了双石墨烯上锂离子的0.42 eV介质扩散势垒，这表示强烈的扩散率。因此，它具有3916 mAh/g的超高理论容量，约为石墨烯（744 mAh/g）的5倍。双石墨烯双层锂离子电池的平均开路电压为0.32 V，保证了实际应用中的长使用寿命和快速充电。双石墨烯双层相对良好的导电性和稳定性在整个充放电操作中得到了进一步证明。由于上述原因，双石墨烯双层将是可以应用的优秀电池阳极

图文导读

图1.（a）从俯视图和侧视图优化了2×2×1超级电池的原始双石墨烯双层结构。（b）双石墨烯双层二维切片的电子定位功能。

图2.（a）吸附在双石墨烯双层上的单个锂离子的能带结构和TDOS/PDOS。（b）双石墨烯在38个Li原子处的能带结构和TDOS/PDOS被吸附。费米能级设置为零。

图3.（a） 吸附浓度。（b）吸附能作为双石墨烯双层中锂浓度的函数。（c）锂离子浓度对双石墨烯双层OCV和存储理论容量的影响。（b）中的插图显示了相对于Li浓度从Li原子转移到双石墨烯双层的Bader电荷的平均量。

图5。在（a）300和（b）500 K下充入产物Li38C18的AIMD计算。

图6。双石墨烯双层与典型阳极材料的扩散势垒（a）、电压（b）和最大Li容量的比较。

小结

综上所述，利用粒子群优化和集成第一性原理计算，研究了具有动态、能量、机械和热稳定平面结构的新型双石墨烯双层。已经发现双石墨烯对Li原子具有可观的亲和力。根据对其电子结构的检查，吸附物可以将半导体双石墨烯转化为导电基底。与许多其他碳同素异形体相比，预期的双石墨烯双层具有非常高的LIB容量（3916 mAh / g），这是由于其能够吸附三层锂离子。双石墨烯双层由于其固有的金属性和出色的热稳定性，在充放电循环中具有出色的循环性和电子导电性。采用CI-NEB方法研究了锂离子的扩散行为，发现扩散势垒为0.42 eV，保证了充放电过程的快速进行。0.32 V的低平均开路电压可有效防止在0–1 V区域出现晶体分支。总体而言，双石墨烯双层是一种很有前途的锂离子电池负极材料。

文献：https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c01872