Origin of low sodium capacity in graphite and generally weak substrate binding of Na and Mg among alkali and alkaline earth metals

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作者
Yuanyue Liu,Boris V. Merinov,William A. Goddard
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:113 (14): 3735-3739 被引量:533
标识
DOI:10.1073/pnas.1602473113
摘要

It is well known that graphite has a low capacity for Na but a high capacity for other alkali metals. The growing interest in alternative cation batteries beyond Li makes it particularly important to elucidate the origin of this behavior, which is not well understood. In examining this question, we find a quite general phenomenon: among the alkali and alkaline earth metals, Na and Mg generally have the weakest chemical binding to a given substrate, compared with the other elements in the same column of the periodic table. We demonstrate this with quantum mechanics calculations for a wide range of substrate materials (not limited to C) covering a variety of structures and chemical compositions. The phenomenon arises from the competition between trends in the ionization energy and the ion-substrate coupling, down the columns of the periodic table. Consequently, the cathodic voltage for Na and Mg is expected to be lower than those for other metals in the same column. This generality provides a basis for analyzing the binding of alkali and alkaline earth metal atoms over a broad range of systems.
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