回顾：非锂离子电池的预测

 早在2014年，Yury Gogotis教授提出了MXene应用新型电池的想法，并对其进行了相关理论计算及实验研究。虽然已经过去五年但是对现在MXene基新型电池的设计仍然具有指导性意义。

【研究背景】

       可充电锂离子电池(LIBs)是最重要的能量存储系统之一，已广泛应用于便携式电子设备，并可以为电动汽车提供动力。然而，锂离子电池的大规模电能存储应用会受到锂自然储量有限、生产成本高和安全问题的影响。所以新一代可再生能源技术迫切需要开发新的电池系统。目前，可充电钠离子、钾离子、镁离子、钙离子和铝离子电池因其丰富的元素、较高的理论容量、合适的负氧化还原电位、运行安全性和环境友好性而备受关注。

        近些年，一种叫做MXene的二维过渡金属碳氮化物被发现，并被广泛用于储能，催化，传感器等方面的研究。由于在酸性溶液中蚀刻，MXene纳米片表面主要被OH、F基覆盖。此外，MXene具有良好的导电性，有产生具有较高电化学性能材料的潜力。

【成果简介】

       橡树岭国家实验室纳米材料中心的Yohan Dall’Agnese研究团队与Yury Gogotis教授共同发表在ACS nano上的: Prediction and Characterization of MXene Nanosheet Anodes for Non-Lithium-Ion Batteries。本文对非锂离子电池MXene正极进行了理论上的预测与表征。这里对Na、K、Mg、Ca、Al离子电池进行了理论计算模拟对各个种类电池在各种情况下的储能行为进行了预测。

【文章亮点】

       针对不同MXene不同表面官能团的Na、K、Mg、Ca、Al离子电池的插层行为进行理论分析。

【图文导读】

多价态离子嵌入、脱嵌示意图

图一.针对Ti₂C、V₂C、Nb₂C、Ti₃C₂表面为-OH官能团的情况进行了理论模拟计算。大多数的吸附能是正的，说明这些离子没有被MXenes很好的吸附。特别是Mg和Al比其他离子具有更高的吸附能。这可能与它们与MXene Ti原子之间的强库仑斥力有关。

图二. 针对Ti₂C、V₂C、Nb₂C、Ti₃C₂表面为-O官能团的情况进行了理论模拟计算。除Al外，所有的原子都具有负的吸附能，说明它们可以在O官能团MXenes上形成一个完整的吸附层。铝的正吸附能表明它是物理吸附或部分化学吸附。

图三.进一步研究发现O基官能团表面可以存在两层插层离子。可以看出Mg离子第二层插层的吸附能仍然为负。

图四. 针对Ti₂C、V₂C、Nb₂C、Ti₃C₂表面无官能团的情况进行了理论模拟计算。我们立即观察到与氧基官能团的不同之处。K不能在任何裸露的MXene上形成完整的层;最大稳定覆盖率只有2/3。同时，Ca只能在Nb2C上形成一个完整的层。对于其他的MXenes，覆盖率是1/2。相反，Al不能在O官能团MXene上形成稳定的全层，却能在裸露MXenes上形成完整的层。

图五.Mg、Al离子电池均可以在裸露的MXene表面嵌入两层离子。并且相应理论容量也有所提高。

【文章总结】

       本文通过第一性原理计算系统地研究了钠、钾、镁、钙和铝在MXene纳米薄片上的存储行为。结果表明，无论氧基官能团还是无官能团MXene纳米片都是无锂离子电池电极极具发展前景的电极材料。无官能团的MXene比氧基官能团的MXene具有更高的容量和更强的离子流动性。在选择合适的电解液后，MXene纳米薄片可以存储多层Mg离子和Al离子，在原理上会表现出复合转换反应、插入/脱出、电镀/剥离金属离子等储能机制。本研究也为从氧基MXene中获得无官能团的MXene提供了第一个理论途径，并揭示了在MXene材料中金属离子的存储机制。本文通过第一性原理计算系统地研究了钠、钾、镁、钙和铝在MXene纳米薄片上的存储行为。结果表明，无论-O基官能团还是无官能团MXene纳米片都是无锂离子电池电极极具发展前景的电极材料。

文献链接：

https://doi.org/10.1021/nn503921