新闻信息
新闻消息
报告通知
学术会议
学术论文
 

工学院王前课题组在二维锂电池材料研究中取得新进展

北京大学工学院应用物理与技术研究中心王前课题组,最近在二维新型锂电池材料研究方面取得新进展。国际知名学术期刊Nanoscale近日以封面文章的形式刊发了他们题为 “TiC2: A New Two-Dimensional Sheet beyond MXenes”的研究论文,报道了他们模拟合成的一种含碳二聚体的新型过渡金属碳化物二维材料。此材料在锂电池中可望具有良好的应用前景。


Nanoscale封面文章报道王前课题组的研究新进展

 

随着人类对清洁能源需求的日益增强,以及化石燃料引起的环境问题的不断加剧,锂电池因其较高的理论能量转化效率以及成熟的商业化应用一直得到人们的青睐。然而,锂电池负极材料的储存能力的瓶颈问题阻碍了它在实际应用领域的提高。 寻找性能更好的替代品使得锂电池负极的能量储存量与转化效率超过目前的工业化材料已成为材料研究领域的重要课题。碳基材料如石墨烯及其衍生物在锂电池负极材料领域展现了其优越性,如对酸碱性电解液的耐受性好等。但纯碳组成的石墨烯结构材料的锂离子吸附位点少,而之后发现的含有过渡金属的碳化物MXenes材料虽然具有多个吸附位点,由于过渡金属含量过高,导致作为电极材料时能量密度较低和锂电池容量不高。从80年代开始,研究人员成功合成了一种化学计量数为M8C12 (M为过渡金属)的金属碳化物分子Metcar,这种分子中碳和金属原子的成键方式十分独特:所有的碳都以二聚体的形式与金属原子结合。受此启发,王前课题组运用类似的拓扑结构设计了低金属含量的TiC2二维结构,并应用第一性原理计算与NEB弹性爬坡势垒动力学相结合的方式研究了锂离子在TiC2二维结构表面的吸附位点、扩散路径和势垒,探讨了该材料作为锂离子电池负极材料的可能性和应用前景。

王前课题组通过深入地计算模拟研究发现,TiC2层状结构具有良好的动力学与热学稳定性,在掺入锂离子前后体系结构能始终保持稳定;能带结构计算表明,TiC2层状结构具有金属特性,并且费米面附近的能带由钛和碳元素共同贡献,在锂离子电池中可作为良好的导体应用。更为优良的是,与一般锂电池负极材料相比,TiC2结构具有优异的锂离子输运的能力,最低跃迁势垒仅为商用TiO2电池的1/3,其开路电压的大小与一般的商用石墨电极相当,这种优异的锂离子输运能力得益于它良好的金属性。最后,这种TiC2材料的锂电池储存密度是商用TiO2电池的3倍。这一发现工作为新型锂电池负极材料的设计提供了借鉴,有助于未来在结构层面上设计更多的锂电池负极材料。

该论文的第一作者是北京大学应用物理与技术研究中心王前课题组博士研究生赵天山,通讯作者是王前。该研究工作得到了国家自然科学基金、973重大基础研究项目、以及教育部博士点基金的资助。


 

 

版权所有: 北京大学应用物理与技术研究中心

地址: 中国 北京 北京大学工学院1号楼402室 邮编:100871 电话:010-62753944 Email:zhoulixin@pku.edu.cn