今天小帕給大家解讀一篇2023 年 8 月 22 日發(fā)表在ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS（ IF：19 ）雜志上的文章：“Highly Pseudocapacitive Storage Design Principles of Heteroatom-Doped Graphene Anode in Calcium-Ion Batteries ”（高度偽電容儲存設(shè)計原則：雜原子摻雜石墨烯陽極在鈣離子電池中的應(yīng)用）。本研究通過密度泛函理論計算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，建立了鈣離子電池陽極材料的設(shè)計原則，提出了一個新的描述符??，用于預(yù)測雜原子摻雜石墨烯陽極的儲存性能，并成功篩選出了具有10倍鈣離子儲存能力的最佳雙摻雜石墨烯陽極材料。

研究背景

論文背景：鈣離子電池作為鋰離子電池的潛在替代品，具有優(yōu)秀的物理化學(xué)性質(zhì)和成本優(yōu)勢，但目前鈣離子電池的陽極材料仍然存在問題。

過去方案:?過去的研究中，雖然有許多潛在的陰極材料可供選擇，但鈣離子電池的陽極材料仍然很少。

論文的Motivation:為了解決鈣離子電池陽極材料的問題，本研究通過密度泛函理論計算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，建立了鈣離子電池陽極材料的設(shè)計原則，并提出了一個新的描述符??，用于預(yù)測雜原子摻雜石墨烯陽極的儲存性能。通過這些研究，成功篩選出了具有10倍鈣離子儲存能力的最佳雙摻雜石墨烯陽極材料。

研究思路

a. 理論背景：

本文討論了將間歇性可再生能源整合到電網(wǎng)中所需的高性能和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電池。鈣離子電池（CIBs）由于其物理化學(xué)優(yōu)勢被認(rèn)為是鋰離子電池（LIBs）的潛在替代品。然而，CIBs缺乏適合的陽極材料。本文強(qiáng)調(diào)了設(shè)計CIBs陽極時的兩個關(guān)鍵問題：固態(tài)擴(kuò)散動力學(xué)緩慢和低容量和循環(huán)穩(wěn)定性。本文提出了偽電容材料，特別是雜原子摻雜碳納米材料，作為解決這些問題的方法。特別是，本文確定了石墨烯作為CIBs的有前途的陽極材料，由于其獨(dú)特的性質(zhì)。然而，關(guān)于無金屬雜原子摻雜石墨烯作為CIBs陽極材料的研究還不足。本文旨在建立設(shè)計原則和描述符，以預(yù)測雜原子摻雜石墨烯陽極在CIBs中的偽電容儲存性能。

b. 技術(shù)路線：

本文使用密度泛函理論計算和實(shí)驗(yàn)研究了雜原子摻雜石墨烯作為CIBs偽電容陽極的結(jié)果。研究調(diào)查了不同摻雜劑對陽極儲存性能的影響。作者提出了一種偽電容理論，用于描述雜原子摻雜碳納米材料的偽電容行為。研究確定了摻雜石墨烯表面上鈣離子儲存的活性位點(diǎn)，并探索了儲存過程中的相變機(jī)制。結(jié)果表明，引入摻雜劑和納米帶缺陷降低了吸附能壘，并創(chuàng)造了鈣離子儲存的活性位點(diǎn)。研究還揭示了摻雜結(jié)構(gòu)與陽極能量儲存性能之間的關(guān)系。建立了一種新的描述符，用于預(yù)測單/共摻雜石墨烯陽極的容量和功率密度。通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了預(yù)測結(jié)果。提出的偽電容理論為電荷儲存機(jī)制提供了見解，并為設(shè)計高性能碳基陽極提供了可能性。

結(jié)果解讀

a. 詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置：

本文在飽和的CaCl2溶液中進(jìn)行了電化學(xué)測量，使用了合成和非合成的雙摻雜石墨烯樣品。通過掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）對樣品進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)了一致的皺褶層狀結(jié)構(gòu)和一定的孔隙。能量色散X射線光譜（EDS）分析證實(shí)了摻雜石墨烯樣品中所需的雜原子的存在。

b. 詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

通過伽伴諾靜態(tài)充放電測試評估了摻雜石墨烯樣品的電化學(xué)性能。樣品表現(xiàn)出明顯的偽電容特性，并計算了每個樣品的比電容。進(jìn)一步計算并比較了每個樣品的比電容和描述符Φ。結(jié)果顯示了計算的比電容和每個Ca2+儲存位點(diǎn)的比電容之間的類似趨勢?；趯γ枋龇挺min的分析，確定了Sb摻雜石墨烯作為研究中使用的最佳摻雜劑。

數(shù)據(jù)圖如下：

圖 1.鈣吸附和電荷儲存機(jī)制。

圖 2.我們提出的鈣離子儲存能級充填理論理論（ELFT-CIS）及其產(chǎn)生的火山趨勢。

圖 3.由內(nèi)在描述符Φ建立的火山關(guān)系。

圖 4.存儲在摻雜石墨烯陽極表面的Ca的電荷轉(zhuǎn)移和電子結(jié)構(gòu)起源。

圖 5.摻雜石墨烯樣品的微觀結(jié)構(gòu)表征。

圖 6.經(jīng)過驗(yàn)證的DFT計算和電化學(xué)測量。

圖 7.在最佳存儲位點(diǎn)上，鈣化學(xué)吸附的最優(yōu)B-Sb共摻雜石墨烯模型的內(nèi)稟描述子Φ和微分電荷密度分布以及Bader電荷轉(zhuǎn)移控制著反火山關(guān)系。

ttps://doi.org/10.1002/adfm.202305610

參考文獻(xiàn)：

1.Solvothermal‐Derived S‐Doped Graphene as an Anode Material for Sodium‐Ion Batteries

Bo Quan,?Aihua Jin,?Seung-Ho Yu,?Seok Mun Kang,?Juwon Jeong,?Héctor D. Abru?a,?Longyi Jin,?Yuanzhe Piao,?Yung-Eun Sung

Advanced Science

2.NiCo2S4?Nanosheets Grown on 3D Networks of Nitrogen-Doped Graphene/Carbon Nanotubes: Advanced Anode Materials for Lithium-Ion Batteries

Longsheng Zhang,?Lizeng Zuo,?Wei Fan,?Tianxi Liu

ChemElectroChem

3.Facile Synthesis of Nitrogen and Halogen Dual‐Doped Porous Graphene as an Advanced Performance Anode for Lithium‐Ion Batteries

Huanlong Liu,?Yufeng Tang,?Wei Zhao,?Wei Ding,?Jijian Xu,?Chenliang Liang,?Zhichao Zhang,?Tianquan Lin,?Fuqiang Huang

Advanced Materials Interfaces

4.Spirally Grown Zinc‐Cobalt Alloy Layer Enables Highly Reversible Zinc Metal Anodes

Tianqi Wang,?Yan Tang,?Minxiao Yu,?Bingan Lu,?Xiaotan Zhang,?Jiang Zhou

Advanced Functional Materials

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