A lithium-ion battery based on a graphene nanoflakes ink anode and a lithium iron phosphate cathode
锂离子可充电电池使无线革命改变了全球通信。然而，未来的挑战要求分布式能源供应达到目前储能技术不可行的水平。需要能够提供更高能量密度的新材料。在这里，我们报告了一类基于石墨烯墨水阳极和磷酸铁锂阴极的新型锂离子电池。通过仔细平衡电池组成和抑制阳极的初始不可逆容量，我们证明了在比容量方面的最佳电池性能，即165 mAhg-1，估计能量密度约为190 Whkg-1和寿命，具有超过80个充电-放电循环的稳定操作。我们将这些独特的特性与石墨烯纳米片阳极在边缘显示出晶体有序性和高锂吸收率，以及与整体电池组成相关的结构和形态优化联系起来。我们的方法与任何印刷技术兼容，价格低廉，可扩展，为高容量锂离子电池的开发开辟了新的机会。
2014-03-10 cond-mat.mtrl-sci
Defective graphene as promising anode material for Na-ion battery and Ca-ion battery
我们研究了Na和Ca在具有双空位（DV）和Stone-Wales（SW）缺陷的石墨烯上的吸附。我们的研究结果表明，吸附是不可能的原始石墨烯。然而，它们在有缺陷的片材上的吸附在能量上是有利的。增强的吸附可以归因于吸附原子和下面的缺陷片之间的电荷转移增加。随着缺陷密度的增加直到某个可能的极限，最大吸附百分比也增加，从而得到更高的电池容量。对于最大可能的DV缺陷，我们可以实现Na离子电池（NIB）的1459 mAh/g和Ca离子电池（CIB）的2900 mAh/g的最大容量。对于完全SW缺陷的石墨烯，我们发现NIB和CIB的最大容量分别为1071 mAh/g和2142 mAh/g。我们的研究结果将有助于为NIB和CIB创造更好的阳极材料，具有更高的容量和更好的循环性能。
2013-09-17 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Enrich properties of Li+-based battery anode: Li_4Ti_5O_12
在第一性原理计算下，三维三元锂离子电池正极Li_4Ti_5O_（12）呈现出不寻常的晶格对称性（三斜晶系）、能带结构、电荷密度和态密度。它属于大的直接带隙半导体，E_g^d~ 2.98 eV。原子主导的价带和导带、空间电荷分布以及原子和轨道分解的van Hove奇异性可用于Li-O和Ti-O键中多轨道杂化的精细识别。这种极不均匀的化学环境是由大的成键涨落和高度的各向异性构型直接引起的，它们导致了非常复杂的跳跃积分。此外，所发展的理论框架是非常有用的，充分理解的阴极和电解质的氧化物化合物。
2019-12-05 cond-mat.mtrl-sci
Metastable Cation-Disordered Niobium Tungsten Oxides as Li-ion Battery Anode Materials
本研究开发了新型anti-Li3N结构的全阳离子无序亚稳态铌钨氧化物，发现其作锂电负极时会转变为阳离子无序立方结构，丰富了相关材料体系与负极机理研究。
2023-06-14 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio Molecular Dynamics Simulations of the Initial Stages of Solid-electrolyte Interphase Formation on Lithium Ion Battery Graphitic Anodes
碳酸亚乙酯（EC）在溶剂-石墨阳极界面处的固体电解质界面（SEI）膜初始生长期间的分解对锂离子电池的操作至关重要。采用从头算分子动力学模拟研究了EC/石墨界面的电化学反应。我们表明，碳边缘终端是至关重要的，在这个阶段，可实现的实验条件下，可以导致令人惊讶的快速EC击穿机制，产生的分解产物在实验中看到，但以前没有预测。
2010-09-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
The potential applications of phosphorene as anode materials in Li-ion batteries
组成电极的容量和稳定性决定了锂离子电池的性能。本研究利用密度泛函理论探讨了新近合成的二维磷烯作为电极材料的潜在应用。结果表明，锂原子可以与磷烯单分子层和双分子层形成强的键合，并发生明显的电子转移。锂化对磷烯的结构影响不大，体积变化仅为0.2%。锂化后观察到半导体到金属的转变。单层和双层磷烯上的扩散势垒计算为0.76和0.72 eV。磷烯单分子膜的理论比容量为432.79mAh/g，比其它商用负极材料的理论比容量大。研究结果表明，磷烯具有高容量、低开路电压、小体积变化和导电性，是一种很好的电极材料。
2014-08-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
The Zintl-Klemm Concept in the Amorphous State: A Case Study of Na-P Battery Anodes
本文以钠离子电池Na-P负极为例，结合第一性原理模拟与机器学习方法，在原子尺度上考察Zintl-Klemm概念在非晶态中的适用性，揭示无序Na-P相的结构与能量行为。
2025-04-07 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Hexagonal Ti2B2 monolayer: A Promising Anode Material Offering High Rate Capability for Li-Ion and Na-Ion Batteries
结合第一性原理密度泛函方法和晶体结构预测技术，我们报道了一系列六方二维过渡金属硼化物，包括Sc2 B2，Ti 2B 2，V2 B2，Cr2 B2，Y2 B2，Zr 2B 2和Mo 2B 2.通过声子和分子动力学模拟验证了它们的动力学和热稳定性。研究了二维Ti_2B_2单层膜作为锂离子电池和钠离子电池负极材料的性能。Ti 2B 2单层具有高的理论比容量为456和1027 mAhg-1的锂和钠，分别。具有0.017/0.008 eV的超低能垒的非常高的Li/Na扩散率表明优异的充放电能力。此外，通过电子结构计算发现，在整个锂化过程中，材料具有良好的电子导电性。在吸附一层、两层和三层Li和Na离子后体积的非常小的变化表明Ti 2B 2单层是稳健的。这些结果突出了Ti 2B 2单层以及其他2D TMB作为LIB和NIB的优异阳极材料的适用性。
2018-02-23 cond-mat.mtrl-sci
A new porous metallic silicon dicarbide for highly efficient Li-ion battery anode identified by targeted structure search
为了提高锂离子电池中石墨负极的极限比容量，避免硅负极的体积变化过大，人们对碳硅复合材料进行了大量的研究，但在过去的几十年里，取得的进展并不多。本文首次采用目标结构搜索的方法，以适量的Li作为化学模板，调节C和Si之间的键合，使我们能够更好地寻找到一种新的稳定的C_2Si相（记为T-C_2Si），该相能更好地拟合之前合成的碳化硅的XRD数据。与传统的半导体碳化硅不同，T-C2 Si不仅是金属的，具有用于电子传输的高本征导电性，而且是多孔的，具有规则分布的通道，其尺寸适合于经历低能垒的Li离子。T-C2 Si表现出515 mA/g的高比容量、1.14 eV的高平均开路电压和1.6%的低体积变化。这些参数满足了电动汽车理想的高性能阳极材料的要求。此外，我们有针对性的搜索策略保证了所得阳极材料在充电/放电过程中具有理想的比容量和小的体积变化，并且可以用于为其他材料寻找新的几何构型。
2018-05-22 cond-mat.mtrl-sci
Theoretical study of δ-5 boron monolayer as an anode material for Li and non-Li ion batteries
本研究通过密度泛函理论模拟发现δ-5硼单层具有高电导率、低扩散势垒（0.46-1.72 eV）及高于石墨的锂钠钾容量，平均开路电压0.14-0.88 V，是锂及非锂离子电池的潜在负极材料。
2025-01-25 cond-mat.mtrl-sci
Atomistic Insights into the Effects of Phosphorous Doping of Graphene Anode in a Lithium Ion Battery
受最近的实验和理论研究的启发[Yang等人，2017]，其中石墨烯中的突起已被提出作为增强钠离子电池性能的有效策略，通过使用密度泛函理论进行石墨烯中磷掺杂对Li的吸附和扩散行为的影响的全面研究。我们发现，在石墨烯中引入P-掺杂剂的突起增强了单个Li原子到阳极上的吸附，这是由于Li和衬底的碳原子之间的额外的部分共价键合特性。然而，随着Li原子浓度的增加，它们倾向于形成团簇，这可能导致枝晶生长并因此导致电池失效。费米能级的有限态密度保证了P掺杂石墨烯在吸附Li原子前后的电子导电性。除了费米能级随Li浓度的增加有一个小的上移外，没有观察到DOS的显著变化。这种突起的存在充当Li的捕获中心，并阻碍它们在衬底上的迁移，导致阳极的循环性能差。这一原子水平的研究将为进一步开发新型电池技术的阳极材料提供有用的指导。
2020-05-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Machine learning assisted screening of metal binary alloys for anode materials
Zhejiang University（浙江大学）
针对传统合金负极材料筛选效率低的问题，本研究利用CGCNN基于MP、AFLOW数据集预测负极性能，筛选出约120种适用于多体系电池的优质负极，加速了电池材料研发。
2024-09-15 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Parabolic-growth universality and its nucleation-driven breakdown across lithium-battery anode chemistries
BEI corp.（BEI公司）
研究通过分析四种负极配置的循环数据，发现三种化学体系中抛物线增长定律成立，而第四种无负极体系表现出超抛物线增长，揭示了成核控制机制。
2026-05-11 cond-mat.mtrl-sci
Phosphorene as an Anode Material for High Performance Lithium-Ion Battery: First Principle Study and Experimental Measurement
从第一性原理计算和实验测量两个方面对磷烯作为高性能锂离子电池负极材料的前景进行了系统的研究。由锂原子的吸附能谱计算了锂原子在磷烯层上沿不同方向运动的扩散能垒。结果表明，锂原子在磷烯谷中沿Z字形方向的扩散迁移率比沿其它方向的扩散迁移率快7 ~ 11个数量级，具有超快各向异性扩散特性.研究了不同构型（n=1~16）的LiP 16在磷烯中的嵌锂行为.发现磷烯可以容纳每个P原子最多一个Li（即，Li 16 P16），单层磷烯的Li容量理论预测值可达865 mAh/g左右。我们的实验测量的锂容量的几个层状磷烯的网络可以达到可逆稳定值~ 453 mAh/g，即使经过50次循环。特别地，发现即使在高Li浓度（例如，在LixP中x = 1），没有锂的团簇，磷烯的结构是可逆的。我们的研究结果清楚地表明，磷烯有希望作为一种新型的高性能锂离子电池负极材料。
2016-07-01 cond-mat.mtrl-sci
In-situ Synthesis of Bismuth/Reduced Graphene Oxide Nanocomposites as High Capacity Anode Materials for Mg-ion Battery
本文中，在氮气气氛下通过溶剂热方法进行铋和氧化石墨烯的原位还原，并且将所得的RGO上的Bi纳米复合材料用作Mg离子电池的阳极材料。60%Bi：40%RGO的纳米复合材料是一种有益的阳极材料，在第1次和第50次循环中，在39 mA/g的比电流下，放电容量分别高达413和372 mAh/g。此外，它显示出高倍率性能，在53、100、200、500和700 mA/g的比电流下，放电容量分别为381、372、354、295和238 mAh/g。纳米复合材料更好的电化学性能是由于电子电导率的改善和电化学循环过程中体积变化的显着减少。这项研究表明，铋（Bi）在还原氧化石墨烯（RGO）纳米复合材料作为一个有前途的高容量阳极镁离子电池具有更长的寿命周期和高倍率性能。
2020-04-02 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
The Sabatier principle for Battery Anodes: Chemical Kinetics and Reversible Electrodeposition at Heterointerfaces
几个世纪以来，表面化学如何影响其上发生的反应一直是广泛科学和技术兴趣的长期问题。最近，它再次成为化学的一个分支学科-异相电化学中的一个关键问题，其中答案对人类如何以及以何种形式储存世界各地太阳能和风能装置产生的越来越多的可再生电功率具有影响。在这里，我们认为在这样的界面处的表面化学之间的关系和在可充电电池电极的电化学转化的可逆性。传统观点认为，金属沉积物和电极之间较强的化学相互作用促进可逆性。相反，我们报告说，沉积物和基板之间的化学相互作用的中等强度，既不太弱也不太强，使最高的可逆性和稳定性的电镀/剥离氧化还原过程在电池阳极。类似于化学多相催化的经验Sabatier原理，我们的发现来自于竞争过程的汇合-一个由电化学驱动，另一个由化学合金化驱动。基于当代感兴趣的电池阳极中的金属电镀/剥离系统的实验评估，我们表明，这些知识为基于地球丰富的低成本金属的高度可逆的电化学储能技术中的关键材料的设计提供了一个强大的工具。
2022-09-25 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Assessing carbon-based anodes for lithium-ion batteries: A universal description of charge-transfer binding
碳基锂离子电池阳极的许多关键性能特征在很大程度上取决于锂（Li）和sp2碳（C）之间的结合强度，其可以随着基底结构、化学和形态的细微变化而显著变化。在这里，我们使用密度泛函理论计算，调查各种sp2 C基板，包括原始的，有缺陷的，应变石墨烯，平面C簇，纳米管，C边缘和多层堆叠的Li的相互作用。在几乎所有的情况下，我们发现一个普遍的线性关系之间的Li-C结合能和所需的工作，以填补以前未占用的电子状态在基板。这表明Li容量主要由两个关键因素决定-即固有量子电容限制和费米能级的绝对位置。这个简单的描述符允许直接预测的Li-C结合能和相关的电池特性的候选C材料的基础上，仅基板的电子结构。它进一步提出了设计更有效的C基阳极的具体指导方针。该方法应广泛适用于平面基板上的电荷转移吸附，并提供了一个现象学的超级电容器和催化剂设计中建立的原则连接。
2014-06-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Preparation and electrochemical properties of nitrogen-doped starch hard carbon anode materials for lithium-ion battery
本文以玉米淀粉为原料制备氮掺杂硬碳材料，发现氮掺杂以三种形式嵌入碳层，降低了材料无序度，显著提升了锂离子电池负极的可逆容量和倍率性能。
2024-07-21 cond-mat.mtrl-sci
Iron-Arsenide monolayer as an anode materials for Lithium-ion batteries: A first-principles study
本研究通过第一性原理计算，发现1T-FeAs和1H-FeAs单层作为锂离子电池负极材料，具有高理论容量（374 mAh/g）、低活化势垒（0.38 eV）和较小体积膨胀，且1H-FeAs在锂吸附时发生铁磁到反铁磁转变。
2025-01-25 cond-mat.mtrl-sci
First-Principles Study on NaxTiO2 with Trigonal Bipyramid Structures: An Insight into Sodium-Ion Battery Anode Application
开发具有低电极电压、高比容量和优异倍率性能的高效负极材料是商业上可行的钠离子电池（SIB）的迫切需要。为了寻找一种新型的SIB负极材料，我们采用第一性原理计算研究了具有五氧配位三角双锥（TB）结构的NaxTiO 2化合物的电化学性质.确定了四种不同的TB相，我们进行了它们的晶体结构的优化，并计算了它们的能量学，如钠结合能，形成能，电极电位和Na离子迁移的活化能。计算表明，TB-I相可以是SIB阳极材料的四个TB相中的最佳选择，这是由于在Na插入时相对低的体积变化低于4%，在1.0V以下的低电极电压，在x = 1时完全钠化有可能实现约335 mAh/g的最高比容量，以及在Na含量从x = 0.125到x = 0.5时低于0.35eV的合理低的激活势垒。通过对Na化过程中电子态密度和电荷密度差的分析，发现TB相中的NaxTiO 2化合物由于Na原子向Ti离子的电子转移，从电子绝缘材料转变为电子导电材料，有序化了Ti4 +/Ti 3+氧化还原对，有利于SIB操作。
2019-07-13 cond-mat.mtrl-sci
Three-dimensional graphene networks modified with acetylenic linkages for high-performance optoelectronics and Li-ion battery anode material
寻找具有合适带隙和优良光电性能的三维半导体碳同素异形体一直是新兴的全碳光电子学研究者追求的目标。另一方面，3D碳材料也被认为是锂离子电池（LIB）中优于商业化石墨的有前途的阳极材料。在这里，使用第一性原理计算，我们提出了两个新的三维碳同素异形体通过炔键修饰的两个结构密切相关的三维碳结构-碳kagome晶格（CKL）和互穿石墨烯网络（IGN）。改性的CKL是一个真正的直接带隙半导体，并可能具有最强的光学跃迁系数之间的所有半导体碳同素异形体。合适的带隙和小的有效质量也意味着它可以是用于钙钛矿太阳能电池的良好的电子输运材料（ETM）。对于改性后的IGN，它是一种拓扑结构的半金属，作为锂离子电池的阳极材料，其比容量比IGN有很大提高。我们的工作不仅为高性能光电子和锂离子阳极材料找到了两种具有极好物理和化学性能的新3D碳相，还为创造具有多功能特性的各种碳结构提供了新的视角。
2019-08-20 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Revisiting the storage capacity limit of graphite battery anodes: spontaneous lithium overintercalation at ambient pressure
市场对快速充电、安全、持久和高性能电池的需求推动了对新储能材料的探索，同时也促进了对已广泛使用的材料的基础研究。目前，人们对阳极材料的兴趣有所提高，主要是锂离子电池的石墨电极。在这里，我们专注于在形态准理想的高取向热解石墨（HOPG）的锂嵌入的上限，与LiC $_6$化学计量对应于100\%的充电状态（SOC）。我们通过在常压下浸入液态锂中制备样品，并通过静态$^7$ Li核磁共振（NMR）对其进行研究。我们解决了超致密层间化合物LiC $_{6-x}$的意外特征。这些已经被排除了几十年，因为最高的几何可及的组合物，LiC $_2$，只能在高压下制备。因此，我们挑战了普遍的观念，即在环境条件下，任何额外的嵌入超过LiC $_6$是不可能的。我们监测样品在常压老化和采用从头计算合理化的NMR结果。计算的相对稳定性不同的超致密配置显示，不可忽略的超插层自发地进行超出目前接受的容量限制。
2021-11-12 cond-mat.mtrl-sci
Recycling Silicon Scrap for Spherical Si-C composite as High-Performance Lithium-ion Battery Anodes
本研究提出将半导体和太阳能产业产生的硅废料回收并制成球形Si-C复合材料，作为高性能锂离子电池负极，实现高硅含量和低锂库存损失，电池能量密度可达325 Wh/kg。
2023-05-17 cond-mat.mtrl-sci
Evaluation of Phosphorene as Anode Material for Na-ion Batteries from First Principles
系统评价了一种新型二维纳米材料磷烯作为钠离子电池负极材料的应用前景。利用第一性原理计算，我们确定了Na在磷烯单分子层上的吸附能、比容量和扩散势垒。我们研究的主要趋势，在电子结构和机械性能作为钠浓度的函数。我们发现有利的Na-磷烯相互作用的理论容量，超过那些替代单层阳极的钠离子电池。我们发现，钠磷烯在高钠浓度下发生电子-金属转变。结果表明，Na在磷烯上的扩散是快速的，各向异性的，其能垒仅为0.04 eV。单层磷烯具有高容量、良好的稳定性、优异的导电性和高的钠离子迁移率，是一种很有前途的钠离子电池负极材料。将计算出的比容量和扩散势垒方面的性能与其他层状2D电极材料（例如石墨烯、MoS 2、聚硅烷等）进行比较。
2015-01-11 cond-mat.mtrl-sci
Electrochemically-driven formation of Intermetallic Cu3ZnLi2 alters Li-transport in nanostructured bimetallic battery anode
研究无负极Li金属电池中α黄铜集流体在循环下形成三元Laves相Cu3ZnLi2的微观结构演变机制及其导致死锂与容量损失的影响，为二元合金集流体评估提供指导。
2025-08-12 cond-mat.mtrl-sci
Voltage dependent first-principles barriers to Li transport within Li ion battery Solid Electrolyte Interphases
本文应用量子连续介质近似（QCA）技术为第一性原理界面计算提供电子恒压器，计算了锂离子穿过多种SEI及晶界的势垒，发现考虑界面和电压效应会显著降低反应势垒。
2024-06-04 cond-mat.mtrl-sci
Theoretical investigation of two-dimensional phosphorus carbides as promising anode materials for lithium-ion batteries
采用二维（2D）材料作为锂离子电池（LIB）的阳极被认为是满足下一代高容量LIB不断增长的需求的有效方法。在这项工作中，第一性原理密度泛函理论（DFT）计算评估的潜在应用的二维碳化磷（2D PCx，x=2，5，和6）单分子膜作为锂离子电池的阳极材料。2D PCx系统预计将显示出出色的结构稳定性和电子性能。从轻推的弹性带计算，锂原子显示出极高的扩散系数的PCx单层与低能量的障碍为0.18 eV的PC 2，0.47 eV的PC 5，和0.44 eV的PC6。我们进一步证明，单层PC 5和PC 6的理论比容量可分别达到1251.7和1235.9 mAh g-1，几倍于商业LIB中使用的石墨阳极。这些结果表明，PC 5和PC6单分子膜都是有前途的LIB阳极材料。我们的工作为探索能源应用中的新型2D材料开辟了一条新途径，其中碳化磷可用作LIB中的高性能阳极。
2020-02-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Physics-based modeling of cyclic and calendar aging of LIBs with Si-Gr composite anodes
German Aerospace Center (DLR)（德国航空航天中心）；Helmholtz Institute Ulm (HIU)（乌尔姆亥姆霍兹研究所）；Ulm University（乌尔姆大学）；Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）
本文提出基于物理的模型，研究LIBs在不同充放电协议和存储条件下的老化机制，区分SEI生长与硅基材料失效机制，为电池优化提供理论支持。
2026-04-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Carbon ene-yne graphyne monolayer as an outstanding anode material for Li/Naion batteries
近年来，通过溶剂相反应成功地合成了一种新型的全碳二维材料“碳烯炔”（CEY）。受此实验工作的启发，我们进行了广泛的第一性原理密度泛函理论模拟，以探索CEY作为镁，钠和锂离子电池负极材料的应用前景。为了模拟阳极电极中的离子嵌入过程，吸附原子的覆盖度逐渐增加。然后，我们采用Bader电荷分析来评估吸附原子和CEY纳米片之间的电荷转移，最后报告阳极的理论存储容量。我们特别研究了吸附能、电子态密度和开路电压随吸附原子覆盖度的变化。吸附原子在CEY表面上的扩散也被研究通过使用轻推弹性带方法。值得注意的是，我们的研究结果表明CEY是一种有前途的阳极材料，在迄今为止研究的2D材料中理论充电容量最高，Li和Na离子电池的充电容量分别为2，680 mAh/g和1，788 mAh/g。这项研究提供的见解突出了CEY作为一种新型全碳材料的特性，非常适合作为下一代可充电离子电池的阳极材料。
2018-01-02 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Ultra-High Lithium Storage Capacity of Al2C Monolayer under Restricted Multilayered Growth Mechanism
设计高锂比容量的负极材料是高能量密度锂离子电池发展的关键。在此，提出了一种独特的锂生长机制，即限制锂的多层生长，以及锂存储的策略，以实现超高比容量和避免锂的不受控制的枝晶生长的需要之间的平衡。特别是，基于第一性原理计算，我们表明，具有平面四配位碳结构的Al 2C单层可以是一个理想的平台，用于实现作为二维阳极材料的限制多层生长机制。此外，Al 2C单层表现出4059 mAh/g的超高锂比容量，但具有0.039-0.17 eV的低扩散势垒以及0.002-0.34 V范围内的低开路电压。这些新颖的性质赋予Al 2C单层用于未来锂离子电池的有希望的阳极材料。我们的研究为设计具有高比容量、快速锂离子扩散和安全储锂机制的2D负极材料提供了一种新的方法。
2022-03-14 cond-mat.mtrl-sci
Two-Dimensional GaN: An Excellent Electrode Material Providing Fast Ion Diffusion and High Storage Capacity for Li-Ion and Na-Ion Batteries
确定适用的负极材料是锂离子电池和钠离子电池（LIB和NIB）技术的重要任务。我们提出GAN单层（2D GAN）可以是一个很好的阳极候选者。GAN单层表现出稳定的Li/Na吸附和固有的低理论电压。最令人兴奋的是，在GAN单层中可以同时实现高存储容量和极快的Li/Na扩散。对于Li，存储容量和扩散势垒分别为938 mA h g-1和80 meV。Na的值为625 mA h g ~（-1）和22 meV。与已知的具有类似规模的离子扩散屏障的2D阳极材料相比，GAN单层几乎具有迄今为止发现的最高的Li/Na存储容量。我们的工作表明，二维GAN是一种有前途的阳极材料，提供快速的离子扩散和高存储容量。
2018-12-27 cond-mat.mtrl-sci
The reversible lithiation of SnO: a three-phase process
高可逆容量是任何可充电电池的关键特征。在锂离子电池技术中，氧化锡阳极确实满足了这一要求，但容量的快速损失阻碍了完全商业化。使用第一性原理计算，我们提出了一个微观模型，揭示了可逆的锂化/脱锂的SnO，并揭示了Sn的烧结导致强烈的退化的SnO基阳极。当初始不可逆转变结束时，活性阳极颗粒由由Sn双层分离的Li氧化物层组成。在随后的可逆锂化过程中，Li氧化物经历两个相变，这导致氧化物的Li富集和层状SnLi复合材料的形成。我们发现，模型预测的阳极体积膨胀和电压分布与实验吻合良好，分层阳极颗粒是高导电性的，并具有理论可逆容量为4.5 Li原子每SnO主机单元。该模型表明，颗粒结构必须保持分层，以维持其可逆容量和薄膜设计的电池阳极可能是一个补救措施的容量损失。
2015-05-08 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Two-Dimensional Hexagonal BX3 (X = P, As) Monolayers as High-Capacity, Fast-Charging Anode Platforms for Lithium- and Sodium-Ion Batteries
Chulalongkorn University（朱拉隆功大学）；CrystalLyte Co., Ltd.（CrystalLyte有限公司）
研究探索BY3（Y = P，As）单层作钠离子电池阳极潜力，用第一性原理DFT评估，发现其有出色稳定性、快速充放电动力学及高理论比容量，优于当代二维阳极，是下一代高能量密度储能系统的杰出候选材料。
2026-07-22 cond-mat.mtrl-sci
Probing the Liquid Solid Interfaces of 2D SnSe MXene Battery Anodes at the Nanoscale
Imperial College London（帝国理工学院）；Trinity College Dublin（都柏林三一学院）
本研究结合cryo FIB与cryo APT技术，在纳米尺度探测Ti3C2Tx MXene负载SnSe负极的降解机制，首次直接证实集流体铜腐蚀迁移会造成电极污染与容量衰减，为高稳定电池设计提供支撑。
2025-11-13 cond-mat.mtrl-sci
$β$-Irida-Graphene: A New 2D Carbon Allotrope for Sodium-Ion Battery Anodes
本文提出新型二维碳同素异形体$β$-Irida-graphene，通过密度泛函理论和分子动力学模拟证明其热/动力学/机械稳定、导电性好、钠离子迁移能垒低（<0.30 eV），预测比容量达554.5 mAh/g，是钠离子电池负极的有力候选。
2025-08-06 cond-mat.mtrl-sci
Graphene/Li-Ion battery
采用密度泛函理论计算了锂离子在石墨烯团簇中的存储状态。计算了每个团簇的吸附能、自旋极化、电荷分布、电子能隙、表面曲率和偶极动量。单Li原子掺杂的石墨烯具有自旋极化特性，不同自旋极化的电子会有不同的能隙。计算结果表明，两个较大团簇之间的较小团簇更有利于石墨烯锂离子电池的性能提高，从而提出了最合适的石墨烯负极结构。
2012-11-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Solvent Engineered Synthesis of Layered SnO Nanoparticles for High-Performance Anodes
电池是电化学能量存储的最丰富的形式。锂离子和钠离子电池占电池市场的很大一部分，但高性能的电化学活性物质仍需要为这些技术而发现和优化。最近，氧化锡（II）（SnO）已经成为非常有前途的电池电极。在这项工作中，我们提出了一种简便的合成方法来生产SnO纳米粒子，其尺寸和形状可以通过改变溶剂的性质来定制。我们研究了湿化学合成条件和所得层状纳米粒子形态之间的复杂关系。此外，高层次的电子结构理论，包括分散校正占范德华力，以提高我们的理解的基础化学机制。确定的电子真空排列和表面能，允许的预测的crystallically青睐的晶体形状（武尔夫建设）和表面加权功函数。最后，将合成的纳米材料作为锂离子电池阳极进行测试，证明从特定合成条件获得的形态的电化学性能显著增强。
2020-11-04 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Mn3O4-Graphene Hybrid as a High Capacity Anode Material for Lithium Ion Batteries
我们开发了两步溶液相反应以在还原氧化石墨烯（RGO）片上形成用于锂离子电池应用的Mn 3 O 4纳米颗粒的杂化材料。相对于溶液中的自由颗粒生长，在RGO片上选择性生长的Mn 3 O 4纳米颗粒允许电绝缘Mn 3 O 4纳米颗粒通过下面的导电石墨烯网络连接到集电器。在RGO上形成的Mn 3 O 4纳米颗粒显示出高达~ 900 mAh/g的高比容量，接近其理论容量，具有良好的倍率性能和循环稳定性，这归因于石墨烯基底与其上生长的Mn 3 O 4纳米颗粒之间的密切相互作用。Mn 3 O 4/RGO杂化材料有望成为高容量、低成本、环境友好的锂离子电池负极材料。我们的石墨烯生长方法应该为基于高绝缘材料的电池电极的设计和合成提供一种新技术。
2010-09-20 cond-mat.mtrl-sci
Polymer-Derived SiOC Integrated with a Graphene Aerogel As a Highly Stable Li-Ion Battery Anode
无定形聚合物衍生的碳氧化硅（SiOC）作为石墨的替代物是锂离子电池阳极的有吸引力的候选物，石墨的理论容量限于372 mAh/g。然而，SiOC往往表现出差的传输性能和循环性能，作为稀疏分布的碳簇和低效的活性位点的结果。为了克服这些限制，我们通过将聚合物前体溶剂辅助渗透到改性的三维石墨烯气凝胶骨架中来设计和制造层状石墨烯SiOC异质结构。高熔点溶剂的使用促进了前体的冷冻干燥，其在热解之后产生SiOC作为负载在氮掺杂的还原氧化石墨烯气凝胶的表面上的层。这里采用的制造方法修改的SiOC相的组成和微观结构。在所研究的材料中，对于中等SiOC含量的样品获得了最高水平的性能，其中石墨烯网络占系统的19.8重量%。在这些材料中，在低充电速率下实现了751 mAh/g的稳定可逆充电容量。在1480 mA/g的高充电速率下，容量保持率约为1.5%。95%（352 mAh/g）。在所有速率下，第一次循环后库仑效率保持在99%以上。与无支撑的SiOC相比，石墨烯气凝胶SiOC纳米复合材料的所有指标的性能都有很大提高。该性能归因于跨多个长度尺度的机制。富氧的SiO 4-xCx四面体单元和SiOC内的连续游离碳网络的存在提供了用于可逆锂化的位点，而层状石墨烯SiOC异质结构提供了高离子和电子传输。
2021-04-14 cond-mat.mtrl-sci
Fast Intercalation of Lithium in Semi-Metallic γ-GeSe Nanosheet: A New Group-IV Monochalcogenide for Lithium-Ion Battery Application
范德华能隙的存在使得二维（2D）材料成为锂用作阳极材料的理想通道。然而，良好导电性的要求显著限制了2D候选物的选择。到目前为止，只有石墨由于其相对高的导电性而令人满意。最近，一种新的多晶型的层状硒化锗（γ-GeSe）被证明是半金属在其体相具有比石墨更高的导电性，而其单层行为半导体。在这项工作中，通过使用第一性原理计算，我们研究了使用这种新的IV族单硫族化合物，γ-GeSe，作为锂离子电池（LIBs）的阳极的可能性。我们的研究表明，Li原子将与相邻的硒原子在空心位置形成离子吸附，并以阳离子状态存在（损失0.89 e的γ-GeSe）。爬像轻推弹性带的结果表明，在单层极限下，Li的扩散势垒为0.21 eV，即使在室温下，这也可以在Gamma-GeSe表面上激活相对快速的扩散。计算的理论平均电压范围为0.071至0.015 V，在不同的化学计量比的LixGeSe与微小的体积变化，这表明其潜在的应用作为LIB的阳极。预测的中等结合能、低开路电压（与石墨相当）和Li的快速运动表明，γ-GeSe纳米片可以通过Li嵌入而化学剥离，并且是作为LIB的阳极材料的有希望的候选者。
2022-06-10 cond-mat.mtrl-sci
Lithium adsorption properties of monolayer B$_5$Se
B $_5$ Se本工作中，我们研究了锂的吸附性能的混合2D材料，即单层B5 Se与第一性原理计算。二维B $_5$ Se具有畸变的六角结构，每个六角顶点有5个B原子和1个Se原子.采用广义梯度近似（GGA）和Perdew-Burke-Ernzerhoff（PBE）交换关联泛函进行了密度泛函理论（DFT）计算.计算结果包括用Grimmes DFT-D2格式进行的范德华修正。电极性能指标，作为最优选的吸附位点和吸附能，开路阳极电位，电荷密度差和不同吸附原子覆盖率的比容量进行了评估与DFT计算。吸附原子的扩散障碍进行了评估与轻推弹性带（NEB）的方法。从头计算预测Li在2D B $_5$ Se上吸附的最大理论比容量为1486.87 mAhg $^{-1}$，这是常规Li离子电池阳极材料的四倍以上。这与对于不同程度的Li覆盖的0.291- 0.179 V的开路阳极电势和0.15 eV的小Li扩散势垒、在纯和锂化条件下的片材的金属性质以及良好的电荷密度变化相结合，使得单层B $_5$ Se成为用于Li离子电池应用的有效阳极材料。
2021-01-21 cond-mat.mtrl-sci
A Brief Review of Current Lithium Ion Battery Technology and Potential Solid State Battery Technologies
固态电池技术最近引起了丰田、宝马、戴森等公司的极大兴趣。固态电池（SSB）商业化背后的主要驱动力是能够使用锂金属作为阳极，而不是目前使用的碳阳极，这将导致约20%的能量密度改善。然而，迄今为止没有报道的固态电池满足现有技术的液体电解质锂离子电池（LIB）的所有性能指标，并且实际上若干固态电解质（SSE）技术可能永远无法达到与当前LIB同等的水平。我们首先回顾了最先进的LIB，包括其当前的性能特点，成本的商业趋势，和未来的可能性。然后，我们讨论了目前的SSB的研究重点是三类固态电解质：硫化物，聚合物和氧化物。我们讨论了SSB领域最近和正在进行的商业化尝试。最后，我们总结了我们对商业电池未来的看法和时间轴。
2018-03-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Unveiling the potential of BCN-Biphenylene monolayer as a high-performance anode material for alkali metal ion batteries: A first-principles study
本研究通过第一性原理计算发现，BCN联苯烯单层具有窄带隙半导体特性、低离子扩散势垒及高于商业石墨的理论容量，是碱金属离子电池极具前景的负极材料。
2024-10-11 cond-mat.mtrl-sci
Composite fabrics of conformal MoS2 grown on CNT fibers: tough battery anodes without metals or binders
在寻求提高电池性能的过程中，纳米结构化电池电极提供了具有导电性和固态扩散机制的架构，这些架构是基于聚集的球形微粒的传统电极所不可及的，同时通常还有助于其他不稳定活性材料的循环性。该工作描述了电极，其中活性材料和集电器形成为单个纳米结构的复合网络，由覆盖有在石墨层上优先对准生长的共形MoS 2的碳纳米管纤维的宏观织物组成，而没有金属集电器或任何导电或聚合物添加剂。CNTF/MoS 2的复合织物保持高韧性并显示出高达1.2S/m的面外电导率，高于避免电极的电传输限制性能的阈值（1 S/m），并且高于由分散的纳米碳制备的对照纳米复合LIB电极（0.1S/m）。与Li循环后，它们显示出高达0.7 Ah/g的比容量以及可观的倍率性能和低电流密度（在0.1 A/g下50次循环后108%的容量保持率）以及高电流密度（在1 A/g下250次循环后89%的容量保持率）下的循环稳定性。复合织物是柔性的，具有高达0.7J/g的高拉伸韧性，比常规电极或常规MoS 2材料高两个数量级，并且在不同电流密度下的全电极容量高于现有技术。
2021-07-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Observation of Order and Disorder in Solid-Electrolyte Interphases of Lithium-Metal Anodes
该研究利用低温扫描电子纳米束衍射技术，首次在锂金属负极固态电解质界面中观测到短程有序与氟化锂纳米微晶混合结构，并证明短程有序仅存在于高可逆性电解质中，从而揭示界面结构对锂沉积形貌和电池性能的直接调控作用。
2025-05-06 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph
Saddle-node bifurcation in interfacial morphology selects battery degradation phase
BEI corp.（BEI公司）
本文提出一个最小非线性闭合ODE模型，研究电池界面动态活性区域因子的分岔行为，揭示表面粗糙度饱和时的鞍点分岔，分析不同电极配置的稳定性与退化阶段。
2026-05-11 cond-mat.mtrl-sci
Phase engineering of MoS$_2$ monolayers: A pathway to enhanced lithium-polysulfide battery performance
Universidad de Antofagasta（安托法加斯塔大学）；Universidad de Medellı́n（麦德林大学）
通过MoS₂相工程优化Li-S电池性能，提升能量密度和循环稳定性
2025-06-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Anisotropic Electrene T'-Ca2P with Electron Gas Magnetic Coupling as Anode Material for Na/K Ion Batteries
由于自然界中锂的短缺，迫切需要高性能的可再充电电存储装置作为锂离子电池的补充或替代。在此，我们通过第一性原理计算提出了一种稳定的二维电子T '-Ca 2 P作为钠/钾离子电池的阳极材料。计算结果表明，T '-Ca_2 P单层膜是一种具有自旋极化电子气的反铁磁半导体。它对Na和K原子都有较好的吸附，在b/a方向上的各向异性迁移能垒分别为0.050/0.101 eV和0.037/0.091 eV。Na和K的理论容量均为482 mAh/g，而平均工作电压平台分别为0.171-0.226 V和0.013-0.267 V。结果表明，T '-Ca 2 P单分子膜作为Na/K离子电池负极材料具有良好的应用前景。
2022-03-14 cond-mat.mtrl-sci
Nanoparticle-enhanced Multifunctional Nanocarbons as Metal-ion Battery and Capacitor Anodes and Supercapacitor Electrodes -- Review
随着可再生能源成为满足全球需求的关键能源，电化学储能装置成为高效储能和可靠供电不可或缺的能源。电极材料是决定器件储能容量和功率输出的关键因素。碳基材料正在成为电极的可行候选材料，但其低能量密度阻碍了先进储能材料的发展。碳结构的纳米颗粒修饰是提高碳基电极电荷存储性能的最有前途和最容易实现的策略之一。通过金属、金属氧化物、氮化物、碳化物、磷化物、硫属化物和碳纳米颗粒组分的修饰导致原始和掺杂碳结构的结构和电子性质、孔细化、电荷储存和电荷转移动力学的显著增强，从而使它们的性能有望用于下一代能量储存装置。本文综述了纳米颗粒修饰的纳米碳在电池、超级电容器和金属离子电容器中的应用。对纳米颗粒修饰的纳米碳电极的元素组成、结构、相关的物理化学性质和性能关系进行了批判性分析，以告知下一代先进储能材料、设备和系统的未来发展。
2022-04-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Superior electrochemical performance of zinc-ion batteries with fine-grained and textured zinc anode produced by high-pressure torsion
本研究通过高压扭转对锌负极进行剧烈塑性变形，细化晶粒至20 μm并引入(002)织构，显著提升锌离子电池的循环稳定性、倍率性能及比放电容量（>500 mAh/g），归因于改善的离子传输、快速反应动力学和降低的腐蚀。
2025-03-27 cond-mat.mtrl-sci
Graphene/MoS2 van der Waals Bilayer as the Anode Material for Next Generation Li-ion Battery: A First-Principles Investigation
我们进行了密度泛函理论（DFT）计算的双层异质结构结合的石墨烯层与二硫化钼层与插入和不插入锂原子。我们的计算证明了范德华（vdW）相互作用的重要性，这是至关重要的层之间形成稳定的键合。我们的DFT计算正确地再现了线性色散，或狄拉克锥，功能在费米能的孤立的石墨烯单层和带隙的二硫化钼单层。对于组合的石墨烯/MoS 2双层，我们观察到有趣的电子结构和态密度（DOS）特性附近的费米能，显示两个间隙的功能的MoS 2层和间隙状态与线性色散主要由石墨烯层贡献。我们计算的总态密度（DOS）在这个vdW异质结显示，石墨烯层显着有助于钉扎费米能在中心的带隙的MoS 2。我们还发现，在石墨烯/MoS 2异质结构的层之间插入Li离子通过阳离子（Li吸附原子）和阴离子（石墨烯和MoS 2单层）之间的轨道杂化来增强结合能。此外，我们计算了Li插层石墨烯/MoS 2异质结构的介电函数，其虚部可以直接与光学电导率的实验测量进行比较，以验证我们的理论预测。我们在介电函数的虚部中观察到尖锐的特征，这表明在光学电导率中存在Drude峰，因此在锂化石墨烯/MoS 2异质结构中存在金属性。
2015-02-25 cond-mat.mtrl-sci
Stability of Solid Electrolyte Interphase Components on Lithium Metal and Reactive Anode Material Surfaces
锂离子电池（LIB）的特征在于在低电位下操作的反应性阳极，例如锂金属或硅，其通过固体电解质界面（SEI）膜钝化。众所周知，随着循环的进行，SEI会随着时间的推移而演变。在这项建模工作中，我们专注于两个主要的SEI组件，碳酸锂（Li 2CO 3）和锂乙烯二碳酸酯（LEDC）的稳定性。两种组分在接近平衡Li+/Li（s）电势时电化学稳定，但在接近平衡Li+/Li（s）电势时电化学不稳定。界面反应是引发本征热力学不稳定性的一种方式。预测Li（2）CO（3）和LEDC都在锂金属表面上表现出放热反应，并且势垒足够低以允许电池操作时间尺度上的反应。LEDC也容易在高Li含量的Li（x）Si表面上分解。我们的研究表明，锂金属表面上最内层的SEI层应该是Li（2）O薄层-唯一的化学和动力学稳定组分（在没有氟化物源的情况下）。这项工作也应该与电池循环过程中的锂电镀和Li（x）Si表面上的SEI演变有关。
2016-05-23 cond-mat.mtrl-sci
WS2-graphite dual-ion battery
将传统石墨负极和高容量的少层WS 2鳞片负极结合在一起，研制了一种新型WS 2-石墨双离子电池。WS 2薄片通过利用湿喷射研磨（WJM）剥离来生产，其允许在分散体中大量生产少层WS 2薄片，剥离产率为100%。WS 2-阳极使得基于六氟磷酸盐（PF 6-）和锂（Li+）离子的DIB能够在0.1、0.2、0.3、0.4、0.8和1.0 A g-1的电流率下分别实现457、438、421、403、295和169 mAh g-1的充电比容量，优于常规DIB。基于WS 2的DIB在0至4 V电池电压范围内工作，从而扩展了传统基于WS 2的锂离子电池（LIB）的工作电压窗口。这些结果表明，开发WS 2和可能的其他过渡金属二硫属化物（TMD），用于开发下一代储能设备的新途径。
2019-03-21 cond-mat.mtrl-sci
Theoretical prediction of MoN2 monolayer as a high capacity electrode material for metal ion batteries
近年来合成的二维（2D）材料MoN 2具有环境友好、易提纯、热稳定性高等优点，在清洁能源和可再生能源领域显示出巨大的应用潜力。本文通过第一性原理计算表明，单层MoN_2有望成为金属离子电池的高容量电极材料。首先，通过声子色散和剥离能的计算，证实了MoN 2单层膜的结构稳定性，并且在实验中可以从其体相剥离。其次，所有研究的金属原子（Li，Na和K）可以吸附在MoN 2单层，与原始和掺杂的MoN 2是金属。第三，金属原子在MoN 2上具有中等/低的迁移势垒，这确保了作为电池电极的优异循环性能。此外，计算的平均电压表明，MoN 2单层适合作为锂离子电池的阴极和钠离子和钾离子电池的阳极。最重要的是，作为锂离子电池的阴极，MoN 2具有可比的平均电压，但比通常的商业阴极材料大1-2倍的容量（432 mA h g-1）;作为钠离子电池的阳极，MoN 2的理论容量（864 mA h g-1）比典型的2D阳极材料如MoS 2和大多数MXene大2-5倍。最后，我们还提供了其他过渡金属二氮化物材料的容量估计。我们的工作表明，过渡金属二氮化物MoN 2是一种有吸引力的高存储容量的二维电极材料。
2016-09-20 cond-mat.mtrl-sci
