在先进的硫电池阴极中,对有缺陷的石墨烯进行单原子催化剂的高通量选
Donna Rashidi1, Ebrahim Nadimi2, Irmgard Frank3
1Center for Computational Micro and Nanoelectronics, Faculty of Electrical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, 16317-14191, Tehran, Iran.
Journal of colloid and interface science
|October 30, 2025
概括
使用单原子催化剂 (SAC) 的缺陷工程石墨烯可以通过增强聚硫化物 (LiPS) 相互作用来改善硫 (Li-S) 电池. 基于Fe和V的催化剂显示出对高效的Li-S电池性能有希望.
科学领域:
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 电化学 电化学 电化学
- 计算化学的计算化学
背景情况:
- 硫 (Li-S) 电池具有高能量密度,但面临着诸如航天飞机效应和缓慢反应动力学等挑战.
- 缺陷工程和单原子催化剂 (SAC) 是通过增强聚硫化物 (LiPS) 相互作用来提高Li-S电池性能的策略.
- 石墨烯缺陷为SAC提供了理想的定点,可能会增加催化剂负载并激活石墨烯表面.
研究的目的:
- 为了研究将石墨烯缺陷 (divacancy和Stone-Wales) 与各种单原子催化剂 (M-N4,M=Sc-Zn) 结合在一起的协同效应,用于Li-S电池.
- 使用密度函数理论 (DFT) 选缺陷-SAC结构,以确定最佳配置,以增强LiPS吸附和催化活性.
- 引入和利用累积转换能 (CCE) 来全面评估Li-S电池应用中的催化性能.
主要方法:
- 利用密度功能理论 (DFT) 对石墨烯上200个缺陷单原子催化剂 (SAC) 结构的高通量选.
- 分析了缺陷部位的电子结构和电荷再分配,以了解它们对LiPS吸附的影响.
- 计算了形成能量,以评估拟议的缺陷-SAC配置的热力学稳定性.
- 引入并应用累积转换能 (CCE) 度量来评估LiPS转换的催化效率.
主要成果:
- 在200个选的缺陷-SAC配置中,大多数都表现出负形成能量,表明高热力学稳定性.
- 石墨烯上的缺陷点通过电荷再分配显著增强了LiPS吸附,当地协调环境对SAC性能至关重要.
- 确定了一个最佳的吸附能量窗口,其中弱和过强的吸附都会对催化效率产生负面影响.
- 基于Fe和V的缺陷SAC显示出优异的催化转换和最佳的吸附能量,有效地减轻了Li-S电池中的穿效应.
结论:
- 具有内在缺陷和SAC的双工程石墨烯为推进Li-S电池技术提供了一个有前途的战略.
- 基于Fe和V的缺陷SAC被确定为Li-S电池的高效催化剂,提供更好的LiPS管理和稳定性.
- 基于DFT的选方法和CCE指标为设计下一代储能材料提供了宝贵的工具.
