TTJU研究论文| 密度泛函理论预测新型Mg离子电池负极材料FePS3

进入公众号回复“直播”或通过下列链接前往观看TTJU能源前沿论坛往期精彩回放

https://space.bilibili.com/535111449

文章信息

TTJU研究论文

Yu Cao, Fusheng Pan, Huili Wang, Zhanxu Yang, Jie Sun. Density Functional Theory Calculations for Evaluation of FePS₃ as a Promising Anode for Mg-ion Batteries. Trans Tianjin Univ. 2020: https://doi.org/10.1007/s12209-020-00232-0

本文亮点

(1) 首次探索过渡金属磷硫化物在镁离子电池的应用可能；

(2) 发现FePS₃具有适合的储镁电位、高的理论比容量、很小的体积变化和窄的带隙，是一种综合性能较优的镁离子电池负极材料。

01丨背景及意义

锂离子电池（LIB）已成为一种成熟且可广泛使用的可充电电池技术，用于可扩展的储能系统、电动汽车和便携式电子设备。然而，锂的稀缺、高成本和安全问题使锂电池无法成为理想的可持续储能设备。
镁离子电池（MIBs）由于其低成本、安全性和自然丰度而受到越来越多的关注和研究。MIB的主要障碍是镁金属阳极表面的镁离子阻挡固体电解质界面（SEI）厚和体积变化大。
因此，探索适合MIB的阳极材料以解决上述问题是非常有前途的。
论文通过密度泛函理论（DFT）方法研究了一种用于镁存储的典型的2D层状过渡金属磷硫化物材料FePS₃，计算了FePS₃的Mg吸附能、理论比容量、平均电压、扩散能垒、体积变化和电子电导率，主要结论如下：
（1）Mg的最大存储量符合Mg₂FePS₃的公式，单层FePS₃显示出328 mA·h·g^-1的高理论比容量。
（2）可以提供相对较低的0.483 V（vs. Mg/ Mg^{2 +}）电压，有利于实现电池的高能量密度。
（3）完全插入镁时，FePS₃的体积变化仅为4.0％，FePS₃及其还原产物MgFePS₃均具有良好的电导率，储Mg前后带隙较窄，有利于在实际应用中发挥较好的循环稳定性和高倍率特性。 综上表明FePS₃可用作镁离子电池的负极材料。

02丨图文导读

图1

蓝、黄、粉红和绿色的球分别代表Fe、S、P和Mg原子
单层FePS₃的优化结构和吸附Mg可能位置的 a 俯视图和 b 侧视图；c 结构弛豫之前（左）和之后（右）在不同位置负载了Mg的FePS₃单层的结构；d 单层FePS₃的电荷密度差空间分布图；e 吸收了Mg的单层FePS₃的电荷密度差分层图。

图2

a 为Mg吸附在单层FePS₃的一侧Mg_xFePS₃的示意图（x = 1/8~1）；b 镁吸附在同一侧的Fe和H位上的单层FePS₃的优化结构；c Mg吸附在单层FePS₃的两侧Mg₂FePS₃的结构；d 相对于Mg浓度的吸附能；e 相对于Mg含量从0到2的电压曲线。

图3

Mg在单层FePS₃表面上的扩散通路 a 1、b 2和 c 3。Mg通过路径 d 1、e 2和 f 3扩散的能量分布。

图4

a 块状FePS₃和 b 块状MgFePS₃的侧面结构；c 块状FePS₃和 d 块状MgFePS₃的ELF切片图；e 块状FePS₃和块状MgFePS₃的晶格常数；f 块状FePS₃和块状MgFePS₃的状态密度（DOS）。


杨占旭通讯作者
辽宁石化大学化学、化工与环境工程学院教授，系主任。2009年获得北京化工大学博士学位。作为电化学领域的首席研究员，他带领研究团队一直致力于储能材料、催化材料和石油加工助剂的研究。


孙洁通讯作者
天津大学教授，北京化工大学博士，斯坦福大学博士后。目前的研究方向为开发用于能量转换和储存的多功能纳米材料，包括锂离子、钠离子、钾离子和镁离子电池、锂硫电池以及电催化。
Transactions of Tianjin University天津大学学报（英文版)

主编：巩金龙

副主编：张强/Rafael Luque/张铁锐

电话 : [phone]

邮箱：[e-mail]

欢迎投稿：

https://mc03.manuscriptcentral.com/transtju

点击左下角「阅读原文」查看原文

↙↙↙