石墨烯包覆锗作为锗空气电池负极增强电池性能
锗空气电池作为一种新型的半导体空气电池，以其良好的安全性和理想的动力学性能而备受关注。然而，Ge 空气电池在放电过程中也面临着一些挑战，如 Ge 负极的钝化和自腐蚀。本工作通过等离子体增强化学气相沉积制备了 Ge/石墨烯复合负极，并首次详细展示了硬币型 Ge 空气电池的性能。与用裸 Ge 负极制备的Ge 空气电池相比，使用 Ge/石墨烯负极的电池表现出更长的放电时间，提高了38.9%–90.3%，功率密度也更高。石墨烯的引入使得 GeO2 能够均匀沉积，并减轻放电过程中界面处的钝化。此外，第一性原理计算表明，Ge/石墨烯的界面耦合抑制了 H2O 在负极表面的扩散和 GeO2 团簇在负极表面上的积累。本研究采用石墨烯包覆的锗作为负极，缓解了锗空气电池的钝化和自腐蚀问题，为锗空气电池未来的发展提供了新的机遇。
- Zhao, T.; Zhang, Y.; Wang, D.; Chen, D.; Zhang, X.; Yu, Y. Graphene-Coated Ge as Anodes in Ge-Air Batteries with Enhanced Performance. Carbon 2023, 205, 86–96. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.01.020
基于聚合物水凝胶的、具有 2.5V 宽的工作电位窗和高能量密度的准固态钠离子超级电容器
本工作报道了一种准固态钠离子基不对称超级电容器（ASC）器件，该器件使用氮掺杂的还原氧化石墨烯（NrGO）和硼掺杂的还原氧化石墨烯（BrGO）电极。通过基于密度泛函理论（DFT）的电极量子电容的计算研究，完成了正极（负极）的 NrGO（BrGO）的选择。纳米纤维素由于其可生物降解性、增强的润湿性、良好的离子渗透性和低成本而被用作电极粘合剂。NaClO4-PVA 基水凝胶膜是所制造的器件中的无隔膜准固态凝胶电解质。NrGO||BrGO ASC 器件的比电容为 251.2 F g−1，电流密度为 1 A g−1 且宽电位窗口为 2.5 V，这比以前的报告要好。由于非法拉电容和赝电容的协同效应，与 rGO||rGO、NrGO||NrGO 和BrGO||BrGO对称超级电容器（SSC）器件相比，该器件提供了更好的性能。ASC 器件在 1.25 kW kg−1的功率密度下显示出 54.5 Wh kg−1能量密度，在15 A g−1的高电流密度下 10000 次循环后显示出 84.8% 的显著电容保持率。
- Saquib Khan, M.; SanthiBhushan, B.; Chandra Bhamu, K.; Gu Kang, S.; Singh Kushwaha, H.; Sharma, A.; Dhiman, R.; Gupta, R.; Kumar Banerjee, M.; Sachdev, K. Polymer Hydrogel Based Quasi-Solid-State Sodium-Ion Supercapacitor with 2.5 V Wide Operating Potential Window and High Energy Density. Applied Surface Science 2023, 607, 154990. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154990
掺杂剂增强钠、钾离子在二维二硫化钛中的吸附和扩散
二维（2D）二硫化钛（TiS2) 是最轻的过渡金属二硫族化合物（TMD）。与MoS2（二硫化钼）和ReS2（二硫化铼）等其他 TMD 相比，它对钠（Na）和钾（K）离子的吸附和扩散性能相对较好，是一种很有前途的碱金属离子电池负极材料。先前的研究发现，掺杂显著增强了 2D TMDs 的吸附和扩散能力。本工作首次使用第一性原理计算报道了 Na 和 K 离子在掺杂的TiS2单层上的吸附，其中 Ti 原子被 3d 过渡金属取代，包括铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）和铜（Cu）。金属原子掺杂使碱离子在 TiS2 表面的结合力显著增强, 吸附能范围为 -2.07 至 -2.48 eV （对 Na 来说） 和 −2.59 至 −3.00 eV（对 K 来说）。对于 Fe、Co 和 Ni 掺杂的 TiS2，碱离子的扩散势垒能在掺杂位点附近降低，并随着离子离开掺杂位点而增加。当 Na 离子吸附在 Fe 掺杂的 TiS2（增加 62%）和 Co 掺杂的 TiS2（增加 61%）上时，平均开路电压显著增加，而 K 离子分别导致 9% 和 8% 的适度改善。这些发现表明，金属原子掺杂显著改善了 2D TiS2 的电化学性能，可能使其能够用作钠离子和钾离子电池的负极材料。
- Nair, A. K.; Da Silva, C. M.; Amon, C. H. Dopant-Enhanced Sodium and Potassium-Ion Adsorption and Diffusion in Two-Dimensional Titanium Disulfide. Journal of Applied Physics 2023, 133 (6), 064302. https://doi.org/10.1063/5.0132894
强键合二维TiS2/MoS2-van der Waals异质结构对碱金属离子的增强吸附
尽管许多二维（2D）材料具有显著的性能，但当用作电池电极的独立材料时，它们并不具有提高电池的能量密度、倍率性能和循环寿命所需的特性。然而，通过堆叠不同的 2D 材料来设计 2D 范德华（vdW）异质结构为电池电极提供了新的机会，结合了所需的特征并克服了组成 2D 层的限制。在这项工作中，作者使用第一性原理计算，研究了在碱金属离子电池（AMIB）中的二硫化钛（TiS2）和二硫化钼（MoS2）单层二维异质结构的电子结构、热稳定性、应力-应变响应、碱金属（Li/Na/K）离子吸附和扩散特性。这项工作揭示了异质结构中相对较强的层间相互作用，与相应的单层相比，导致碱离子的吸附显著增强。这项工作还表明，TiS2/MoS2 异质结构具有优异的机械柔韧性、更高的强度和更大的应变耐力。TiS2/MoS2异质结构是下一代 AMIB 柔性负极的有前途的材料。
- K. Nair, A.; Da Silva, C. M.; Amon, C. H. Enhanced Alkali-Ion Adsorption in Strongly Bonded Two-Dimensional TiS2/MoS2 van Der Waals Heterostructures. J. Phys. Chem. C 2023, 127 (20), 9541–9553. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c01819
五边石墨烯/MoS2-vdW异质结构作为锂离子电池负极材料的第一性原理研究
开发二维异质结构材料作为负极材料是一种有希望显著提高锂离子电池性能的方法。在这项工作中，作者使用第一性原理方法，广泛研究了五边石墨烯（PG）/MoS2-van der Waals 异质结构的电子结构、稳定性和对 Li 的吸附偏好。通过形成能、声子谱和从头算分子动力学（AIMD）模拟证明了其结构和热稳定性。计算表明，加入 Li 后，系统从半导体变为金属。锂离子扩散的势垒能低至 0.13eV，PG/MoS2 系统的开路电压（OCV）低至 0.37V。此外，还发现锂存储容量可达751 mA·h/g，总 OCV 可达 0.592 V。超过三分之二的总容量变化发生在 0.2–1.0 V 的理想 OCV 窗口内。因此，PG/MoS2 异质结构复合体系是一种很有前途的高效负极材料。
- Wang, T.; Qi, Y.; Li, M.; Zhao, X.; Xia, C.; An, Y.; Wei, S. First-Principles Study of Penta-Graphene/MoS2 VdW Heterostructure as Anode Material for Lithium-Ion Batteries. Diamond and Related Materials 2023, 136, 109928. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.109928
