带石墨烯纳米果阳极的硼铁电池

在最近发表的《开放式杂志》上发表的文章中Nanomaterials，研究人员讨论了基于第一原理研究的多层石墨烯纳米片阳极用于在硼离子电池中应用的性能特征。

Study：关于硼离子电池的多层石墨烯纳米片阳极性能的第一原理研究。图片来源：Blackboard/Shutterstock.com

背景

在过去的二十年中，锂离子电池（LIB）技术已经急剧发展。LIB已证明其在运行电压，生命周期，能量密度和自我释放率以及较低体积方面的表现出色。尽管Libs具有诱人的适用性，但诸如低温下的性能较差，寿命短，最重要的是，锂矿石供应的快速耗竭可能是该技术的挫折。基于此概念，已经对离子电池技术的替代元素进行了许多研究。

由于它们的无毒性，低成本和几乎无尽的钠矿物质供应，预计钠离子电池（SIB）可以取代LIBS。但是，SIBS的能量密度和存储容量较差，并且放电速度缓慢。自从发现纳米材料和纳米技术产生出色发挥功能的电极以来，欧洲杯足球竞彩近几十年来，离子电池的开发一直在进步。

由于其高表面积和有希望的电特性，石墨烯已被广泛研究为阳极材料。尤其是一维纳米管和零维富勒烯，已被用作LIBS中的阳极材料，并显示出改善的电化学性能。欧洲杯足球竞彩

When compared to 3D graphite, however, these carbon-based materials only have a short-term performance advantage. It is well known that the morphologies and structures of nanomaterials have a significant impact on their performance. As a result, graphene nanosheets are predicted to boost electrochemical activity. Despite these efforts, there are few publications on boron intercalation within the layers of high-quality graphene nanosheets for enhanced anodic boron-ion batteries (BIBs).

关于研究

在这项研究中，作者使用第一原理计算来研究B的性能³⁺在单层（MG），双层（BG），Tri-Layer（TG）和Tetra-Layer（TTG）石墨烯片上。使用在密度功能理论（DFT）框架内的第一原理计算，研究了硼离子电池的高能密度阳极分量作为钠离子和锂离子电池的替代方法。在MG，BF，TG和TTG石墨烯片电极上，检查了硼离子的电化学性能。

The team obtained the most favorable and deeper van der Waals contacts by raising the layers to TTG graphitic carbon B³⁺@ttg_asym和b³⁺@ttg_sym。提出了对石墨烯纳米片在硼离子电池中的阳极性能的理论研究。检查了单层到四层石墨烯片的电化学性能。

研究人员为成功设计高效的储能材料铺平了道路。欧洲杯足球竞彩DFT在高斯09软件包中实现，用于完成所有结构优化和电子属性计算。使用广义梯度近似（GGA）功能的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）功能用于考虑交换相关能量，因为它提供了足够的准确性，快速计算和6-311 g（d，p）基础设置被雇用。

（a，b）单层石墨烯片（mg），（c，d）双层石墨烯片（Bg），（e，f）三层石墨烯片（TG）和（g，g，h）tetralayer石墨烯（TTTG）（TTG）。（b，d，f，h）石墨烯片的侧视方向。图片来源：Umar，M等人，纳米材料欧洲杯足球竞彩

还研究了通过Grimme的D3方法，还研究了分散校正功能对层几何形状的影响。

此外，检查了层和硼离子数对细胞电压的影响。状态（DOS）图的密度是使用高斯和软件创建的。

观察

结果表明B的吸附³⁺caused significant stability of the graphene sheets' HOMO and LUMO frontier orbitals, with energies moved from -5.085 eV to -2.242 eV in B³⁺@MG and from -20.08 eV to -19.84 eV in 2B³⁺@TTG. The cell voltages were significantly increased, and B³⁺/[email protected]had the maximum cell voltage of 16.5 V.

根据密度梯度降低的ISO表面分析，石墨烯层最有益的相互作用是van der waals，其中B³⁺@TTG asym and B³⁺@TTG sym configurations displayed the most favorable interactions.

使用单层获得电化学电池电压（B³⁺/[email protected]）和多层（B³⁺/[email protected], B³⁺/[email protected], and B³⁺/[email protected]）graphene sheets were also greatly improved, and B³⁺/[email protected]另一方面，最低电压为13.7 V.，在B中发现了16.5 V的最大电压³⁺/[email protected]研究结果还表明，当石墨烯层的数量增加时，还增强了硼离子电池阳极电极的电化学性能。

结论

In conclusion, this study's results showed that the number of layers or thickness of graphene nanosheets is a useful parameter for the tuning of the anode performance in boron-ion batteries. The authors emphasized that this could point to a new way to improve the graphene anode's performance by incrementing the number of graphene layers.

The theoretical investigations demonstrated the suitability of graphene-based anodic electrodes in boron-ion batteries for large-scale application as a potential energy storage substitute for sodium- and lithium-based ion batteries, which can be beneficial to the design of the material of ion batteries.

The team also observed that increasing the number of graphene layers could be an innovative way to improve graphene anode performance.

资源

Umar，M.，Nnadiekwe，C.C.，Haroon，M。等。关于硼离子电池的多层石墨烯纳米片阳极性能的第一原理研究。纳米材料欧洲杯足球竞彩12（8）1280（2022）。

https://www.mdpi.com/2079-4991/12/8/1280

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