【摘 要】
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近年来,可充电锂硫(Li-S)电池由于具有较高的理论比能量密度(2600 W h kg-1)使其在下一代高能存储设备中具有广阔的应用前景。然而,充放电过程中硫的导电性差和体积膨胀大等导致的循环寿命短和库伦效率低的问题,仍然制约着锂硫电池的商业化发展。特别是中间体长链多硫化物易溶于常见有机电解液中,它们会在电池正负极之间扩散,造成影响电池性能的“穿梭效应”。为了解决“穿梭效应”,二维材料常被用作锂硫
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近年来,可充电锂硫(Li-S)电池由于具有较高的理论比能量密度(2600 W h kg-1)使其在下一代高能存储设备中具有广阔的应用前景。然而,充放电过程中硫的导电性差和体积膨胀大等导致的循环寿命短和库伦效率低的问题,仍然制约着锂硫电池的商业化发展。特别是中间体长链多硫化物易溶于常见有机电解液中,它们会在电池正负极之间扩散,造成影响电池性能的“穿梭效应”。为了解决“穿梭效应”,二维材料常被用作锂硫电池的正极锚定材料,抑制多硫化物的溶解。在本文中,我们通过密度泛函理论(DFT)计算预测了不同的二维层状材料在锂硫电池正极中的可行性。主要研究内容如下:首先,选取了VA族二维层状材料中的砷烯、锑烯和铋烯作为研究对象,基于密度泛函理论考察了它们作为锂硫电池正极锚定材料的潜力。对不同多硫化物在这些表面上的吸附能、电子性质、结构完整性以及扩散能垒进行了详细的计算。结果表明,这些材料在维持结构完整性的同时对多硫化物具有适中的吸附能。此外,较低的表面扩散能垒确保了多硫化物的有效扩散。因此,砷烯、锑烯和铋烯可以成为提高锂硫电池性能的有前景的正极锚定材料。其次,在已经成功合成的Janus Mo SSe的启发下,我们通过与Sn Se2和Sn S2进行比较,采用DFT计算研究了Janus Sn SSe中具有不同性质的Se面和S面对于多硫化物的锚定性能和扩散特性。对多硫化物在三种材料(四种不同表面)上的吸附强度、电子性质、催化转化过程以及扩散行为等方面进行了综合的分析。结果表明,多硫化物在Sn SSe上的吸附能介于Sn Se2和Sn S2之间,从而使Sn SSe能以合适的结合强度捕获多硫化物。长链多硫化物在Sn SSe上比Sn Se2更低的扩散能垒确保了电极反应效率。此外,在Sn SSe上小的Gibbs自由能和Li2S解离能垒赋予了锂硫电池更好的性能。因此,我们认为Janus Sn SSe表现优异,可以成为抑制“穿梭效应”的有潜力的正极材料。最后,基于DFT计算探究了导电性能更好的Janus Ti SSe在锂硫电池正极中的应用前景,分别从吸附能、电荷转移和催化转化过程等方面进行了简单的分析。通过与Ti Se2和Ti S2的计算结果进行对比,初步预测Janus Ti SSe有潜力成为锂硫电池的正极锚定材料。
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