Ti3C2 MXene as a High Capacity Electrode Material for Metal (Li, Na, K, Ca) Ion Batteries

材料科学 离子半径 碱金属 吸附 离子键合 原子半径 金属 电池(电) 离子 密度泛函理论 电极 无机化学 阳极 物理化学 计算化学 热力学 冶金 化学 功率(物理) 有机化学 物理
作者
Dequan Er,Junwen Li,Michael Naguib,Yury Gogotsi,Vivek B. Shenoy
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:6 (14): 11173-11179 被引量:1290
标识
DOI:10.1021/am501144q
摘要

Two-dimensional (2-D) materials are capable of handling high rates of charge in batteries since metal ions do not need to diffuse in a 3-D lattice structure. However, graphene, which is the most well-studied 2-D material, is known to have no Li capacity. Here, adsorption of Li, as well as Na, K, and Ca, on Ti3C2, one representative MXene, is predicted by first-principles density functional calculations. In our study, we observed that these alkali atoms exhibit different adsorption energies 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 Ti3C2 can be explained by their effective ionic radii. A larger effective ionic radius increases interaction between alkali atoms, thus lower coverage is obtained. Our calculated capacities for Li, Na, K, and Ca on Ti3C2 are 447.8, 351.8, 191.8, and 319.8 mAh/g, respectively. Compared to materials currently used in high-rate Li and Na ion battery anodes, MXene shows promise in increasing overall battery performance.
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