Structure Prototype Outperforming MXenes in Stability and Performance in Metal‐Ion Batteries: A High Throughput Study

MXenes公司 材料科学 四方晶系 石墨烯 声子 化学物理 金属 碳化物 结构稳定性 离子 氮化物 纳米技术 复合材料 结晶学 晶体结构 凝聚态物理 冶金 工程类 物理 化学 结构工程 量子力学 图层(电子)
作者
Minglei Sun,Udo Schwingenschlögl
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:11 (14) 被引量:118
标识
DOI:10.1002/aenm.202003633
摘要

Abstract While the MXene Ti 3 C 2 is well known for its extraordinary material properties with wide applications, it is demonstrated here that it is not the most stable 2D titanium carbide. Evolutionary search and first‐principles calculations are employed to predict for Ti 3 C 3 a novel structure prototype with P4/mmm symmetry and tetragonal sandwich structure. The cohesive energy, phonon dispersion, and melting point demonstrate high stability of Ti 3 C 3 . The mechanical properties are found to be even better than those of graphene in terms of Young's modulus and fracture strength. The metallicity of Ti 3 C 3 indicates potential in metal‐ion batteries. The diffusion barriers for Li, Na, K, and Ca atoms are found to be as low as 0.15, 0.04, 0.002 (record among the known 2D materials), and 0.14 eV, respectively, suggesting the possibility to realize fast charge and discharge. Importantly, the discovered structure prototype gives rise to a whole family of 2D materials. For example, six thermally and dynamically stable materials with metallic properties, Ti 3 X 3 (X = B, Si, Ge, N, P, and As) are identified. The family is promising not only in the fields of nano‐mechanics and metal‐ion batteries but also can guide the search for further 2D structure prototypes.
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