氯化物插层MoS2作为镁离子电池的正极材料研究“华体汇app下载入口”

【章节】由于地球上锂资源的储量并不非常丰富，研究下一代金属离子电池并提早储备其涉及技术，对于防治未来有可能来临的储能危机，具备十分最重要的科学意义。金属镁资源非常丰富（储存量是锂的1000倍），市场价格低廉（仅有为金属锂的7％），以及小的离子半径（0．66?）。

此外，由于镁离子具有两个正电荷，因此镁具备极高的重量比容量（2205mAhg－1），和体积比容量（3833mAhcm－1），同时金属镁的化学稳定性与安全性皆高于锂和钠，所以镁电池被普遍注目。但是，由于镁离子带上二价正电荷，它与电极材料中的非金属元素有很强的静电相互作用。

例如，涉及研究证明镁离子在氧元素环境下无法再次发生插层过程，由于镁离子与电极中氧原子强劲的相互作用，不会引发电极大的体积变化和简单的热力学过程，从而造成镁离子在负极中输送艰难，电池整体循环特性劣。故如何构建镁离子在负极材料的较慢输送被指出是镁离子电池急需解决的关键问题之一。【成果概述】郑州大学邵国胜教授研究团队在JournalofMaterialsChemistryA公开发表为题“High－capacitycathodesformagnesiumlithiumchlorinetri－ionbatteriesthroughchlorideintercalationinlayeredMoS2：acomputationalstudy”的文章。

文中使用材料基因组方法，系统地研究了氯化物插层MoS2中的镁、锂、氯三离子协同作用，从而构建镁离子较慢输送。基本设计思路如下：（1）自由选择层状硫化物为载体：硫元素与镁离子的静电相互作用高；（2）利用金属离子间的作用力：用更容易输送的锂离子驱动镁离子的输送；（3）氯离子扩层技术：拓宽层状硫化物的层间距离，更进一步弱化镁离子与硫的相互作用；（4）氯离子输送：在电场起到下，构建镁、锂、氯三粒子协同输送，其中氯离子再次发生输送，能为电池获取额外的能量密度。

这种负极材料的理论能量密度为277．4mAhg－1，同时在多离子插层过程中负极体积变化较小，以及对其离子输送性能作出预估，为先前实验研究获取可行性方案。本文使用的材料基因组方法还包括：（1）USPEX遗传算法：搜寻MxMoS2Cl0．5全局能量低于结构；（2）构成能计算出来：针对涉及化合物，作出能量稳定性上的评估；（3）声子带上计算出来：针对涉及化合物，作出结构稳定性上的评估；（4）分子动力学AIMD计算出来：对于涉及化合物，作出传质能力的评估；（5）HSE06电子能带结构计算出来：针对涉及化合物，作出导电能力的评估；（6）对电压平台，能量密度和体积变化，作出预估。该工作被选为当期内封面展开报导。

【图文简介】图1：使用USPEX遗传算法，全局域搜寻MxMoS2Cl0．5成分的最平稳结构通过USPEX展开全局域搜寻获得MxMoS2Cl0．5适当成分的能量最平稳结构。（a）Mg0．25MoS2Cl0．5，（b）Li0．25Mg0．25MoS2Cl0．5，（c）Mg0．5MoS2Cl0．5，（d）Li0．5Mg0．25MoS2Cl0．5，（e）LiMoS2Cl0．5，andLi0．5Mg0．5MoS2Cl0．5。图2：MxMoS2Cl0．5的构成能、体积变化和电压（a）MxMoS2Cl0．5（M＝Li，Mg或者Li／Mg混合）的构成能一直为负值，指出适当产物能量平稳；（b）由于Cl离子插层，能有效地的解决负极的体积变化，如MxMoS2Cl0．5层间距变化意味着为2％。小的体积变化，有助提升电极材料的循环稳定性；（c）由于Mg2＋和Cl－离子间的相互作用，有助进一步提高电极的工作理论电压2．4Vv．s．Mg，远高于未知的硫化物层状镁电体系的最低电压平台1．1Vv．s．Mg。

图3：MxMoS2Cl0．5的声子带上通过声子能带结构计算出来，对氯离子插层涉及化合物（a）Mg0．25MoS2Cl0．5，（b）Li0．25Mg0．25MoS2Cl0．5，（c）Mg0．5MoS2Cl0．5，（d）Li0．5Mg0．25MoS2Cl0．5，（e）LiMoS2Cl0．5，（f）Li0．5Mg0．5MoS2Cl0．5的结构稳定性评估，其中黑色虚线代表0THz，蓝色虚线代表可拒绝接受的虚频范围－0．3THz。氯离子插层涉及产物皆展现出出好的结构稳定性，此原文中通过与无Cl－插层涉及化合物的声子带上展开对比，找到氯离子插层后声子带到低频区域移动显著（如箭头方位右图）。

因此，Cl－插层对晶格软化具有显著效果，有可能有助电荷离子再次发生较慢的输送。图4：扩散系数（AIMD）计算出来通过AIMD分子动力学，计算出来有所不同组分中各粒子的扩散系数。

Mg0．5MoS2Cl0．5中Cl－（红线）的蔓延激活能为0．6eV，而Mg2＋离子（蓝线）的蔓延激活能为0．86eV，显著高于Mg0．5MoS2中的Mg2＋离子输送情况（Ea＝1．8eV）。此外在Li的驱动下，Mg2＋和Cl－离子能构建较慢输送，例如在Li0．25Mg0．25MoS2Cl0．5中Li＋（黑线），Mg2＋（蓝线）和Cl－（红线）的蔓延激活能渐趋大于，大约为0．2eV。因此，有期望构成如图5右图的，三离子输送镁电池。

图5：Mg－Li－Cl三粒子电池的创建【小结】本文通过材料基因组方法，系统理论研究以氯化物插层MoS2作为镁离子电池的负极材料的可能性以及对其关键性能展开评估。计算出来结果表明，在硫化物层状结构中，能构建镁、锂、氯三离子协同输送。在层间挂Cl－的协助下，涉及体系能量、结构平稳，体积变化小，电荷离子的蔓延激活能大约为0．2eV。

因此，该镁电负极材料未来将会展现出出好的循环特性，为镁金属电池乃至其他金属电池的研究获取了新的视角。

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