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阿貢實(shí)驗(yàn)室AEM：層狀過渡金屬氧化物作為Ca插層正極的第一性原理評估

與鎂離子電池相比，鈣離子電池具有更高的電壓和更高的理論能量密度。尋找高壓鈣正極材料是釋放高能量密度鈣離子電池全部潛力的關(guān)鍵一步，而Ca插層正極設(shè)計(jì)指南的缺乏阻礙了利用Ca作為工作陽離子的鈣電池的出現(xiàn)。

為此，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室Peter Zapol, Haesun Park等人使用DFT計(jì)算來表明各種過渡金屬（TM）取代的層狀氧化物可以成為Ca正極的新途徑。

通過對CaTM₂O₄材料進(jìn)行了七種不同的TM種類（Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni）的第一性原理計(jì)算，得到了四種層狀多晶型物（P1、P2₁/m、Pmmn和P2/m ) 共28個(gè)正極結(jié)構(gòu)并評估了它們的熱力學(xué)穩(wěn)定性、平均嵌入電壓、能量密度、嵌入與轉(zhuǎn)化的偏好、可合成性、陽離子遷移率和電子結(jié)構(gòu)。

圖1. CaTM₂O₄標(biāo)準(zhǔn)組成的候選晶體結(jié)構(gòu)

結(jié)果表明，P型層狀放電材料（P1、P2₁/m、Pmmn）比O3（P2/m）型和尖晶石化合物更穩(wěn)定。層狀CaTM₂O₄的平均電壓低于Li化合物，但電壓損失小于0.36 V，多價(jià)Ca導(dǎo)致更好的重量容量。對于除CaMn₂O₄之外的所有TM物種，Ca離子嵌入反應(yīng)比轉(zhuǎn)化反應(yīng)更有利。

此外，帶電相的熱力學(xué)穩(wěn)定性和TM氧化還原活性對TM的選擇敏感，CaCo₂O₄具有所有考慮的屬性的最佳平衡。通過在層狀CaTM₂O₄中混合Co和Ni證明了組合多個(gè)TM以擴(kuò)展TM取代的化學(xué)搜索空間的效用?？傊?，本研究表明這類材料可能為 Ca 電池正極材料的未來設(shè)計(jì)開辟了巨大的空間。

圖2. 層狀CaTM₂O₄的電池相關(guān)特性總結(jié)

Layered Transition Metal Oxides as Ca Intercalation Cathodes: A Systematic First-Principles Evaluation, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202101698

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