层状二硒化锡材料中锂离子吸附和迁移的第一性原理研究

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近些年来,二维层状材料异军突起,它们奇特的物理化学性质以及广泛的应用前景吸引了越来越多的科研工作者的关注。通过科研工作者的不懈研究,目前已经发现了一大批合适用于锂离子电池领域中的二维层状材料,比如硫族化合物、卤族化合物、石墨烯及其类似物等。这些二维层状材料作为锂离子电池电极材料,各方面的性质非常优良,比如高的储能密度以及锂离子输运效率、合适的开路电压等。二硫族层状化合物材料是常见的二维层状材料,它由具有三明治型结构的单层堆垛而成,块体材料层间的弱范德瓦耳斯力使其较容易通过剥离等方法来制备,也使得层间距很大继而能够储存更多的锂,适合作为锂离子电池电极材料。三明治型的结构具有很大的比表面积,能够给锂提供更多的吸附位点,且锂离子在其表面上的移动会非常容易,这说明二硫族层状材料是一种具有潜在应用前景的锂离子电池电极材料。  通过第一性原理计算方法,系统地研究了锂离子在二硒化锡基质中的吸附和迁移情况以及锂在嵌入后整个体系的性质,得到了以下研究进展:(1)锂原子与二硒化锡基质的相互作用很强,结合能明显高于石墨烯、二硫化钼等其他二维层状材料;(2)在室温情况下,锂离子在单层二硒化锡上的迁移势垒只有0.197eV,明显要低于在二硫化钼、石墨烯、二硫化钒等其他常见的二维材料上的迁移势垒;(3)通过Bader电荷的分析方法得知锂原子几乎转移了其2s1轨道上的电子给二硒化锡基质,然后以离子态存在于体系中;(4)理论预测锂在单层二硒化锡上会有一个很大的开路电压,能够达到3.05V,这明显要高于黑磷(2.9V);(5)锂的嵌入会使得体系从半导体态转向金属态,提高了体系的电导率使之更加适合作为锂离子电池电极材料。这些结论表明层状二硒化锡将会是一种潜在的锂离子电池电极材料,此外这些发现增进对锂离子在具有类似结构的层状硫化物中吸附和迁移机制的理解为实验研究提供指导和参考。
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