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近日，bat365在线平台官方网站王景陽助理教授與佛羅裡達州立大學歐陽彬教授團隊合作，通過高通量計算篩選了潛在的MAX型鋁離子電池電極材料。通過第一性原理相圖計算穩定性和電化學性能預測（如平均電壓、理論容量和能量密度，以及鋁擴散勢壘等），從理論上揭示了将 MAX型材料設計為鋁離子電池正極的潛力與可行性。

研究背景：

MAX 相是化學通式為Mn+1AXn（n=1，2，3）的一系列層狀過渡金屬碳化物/氮化物，通常具有優異的熱穩定性、機械性能、導熱性和抗氧化性等性質，在航空航天、能源、電子等領域有着廣泛的應用潛力。在所有潛在的鋁離子電池正極材料中，MAX 因其非凡的電子導電性、元素在地球的高豐度以及層狀鍵拓撲結構等特點脫穎而出。此外，MAX 還可以制成不同的納米結構，如MXene納米片，也為調整電化學性能提供了額外的空間。

文章要點：

本文首選通過枚舉法以及相圖計算篩選了有望合成的MAX型材料，包括17種過渡金屬元素，5種陰離子，3種化學計量比及其兩種層狀堆疊方式（），共425種MAX材料，通過DFT及相圖計算确定了其中44種具有實驗合成的可能性，同時計算顯示這44種材料均為層狀堆疊。

圖 1. MAX化合物第一性原理熱力學穩定性熱圖，共有44種穩态或亞穩态MAX型材料具有實驗合成的可能性（黑色方框），其中有16種已被先前實驗所驗證。

針對44種可合成材料，文章計算了其相應的熱力學性質包括平均電壓，平均電池容量以及能量密度。值得一提的，MAX鋁離子電池作為正極具有高理論電池容量。同時文章模拟了Al離子擴散的動力學性能，考慮了兩種Al離子的臨界濃度，即存在單一空缺時的狀态(鋁化态，aluminated state)和存在單一Al離子時的狀态(脫鋁态，dealuminated state)。ci-NEB計算顯示出在兩種不同狀态下Al離子的不同擴散路徑（如圖2），其中在脫鋁态，Al離子在擴散的過程中經過相鄰的層狀堆疊時的Al離子位（如圖2a），同時能量在層狀堆疊時的Al離子位達到局部最小值（如圖2c），而在鋁化态情況下，由于Al離子間的相互排斥，Al離子的擴散路徑呈直線（如圖2b），并且不存在能量的局部最小值（如圖2d）。

圖 2. 通過 (a) 脫鋁态；(b) 鋁化态，鋁在 MAX 中的遷移路徑。左圖為擴散路徑的俯視圖，右圖為透視圖。鋁、金屬和空位分别顯示為灰色、橙色和白色球體。不同鋁空位環境下沿遷移路徑的能量： (c) 脫鋁态；(d) 鋁化态。

利用鋁化态和脫鋁态，文章估算鋁離子擴散活化勢壘能的邊界。更具體地說，這兩種狀态将決定鋁離子擴散勢壘能的上限和下限。從圖 3中可以看出，鋁化态的活化勢壘能普遍高于脫鋁态。同時，18 種 MAX 材料在鋁化态和脫鋁态下的勢壘能均小于 2 eV/atom，也表現出MAX 材料做為鋁離子電池正極的潛力。

圖 3. 垂直條形圖顯示了計算出的穩定/近穩定 MAX 相的單一空位擴散（鋁化态）和單一鋁擴散（脫鋁态）的活化勢壘能： AlM2X 為橙色；AlM3X2 為藍色；AlM4X3 為灰色。正方形表示鋁化态的能量，圓形表示脫鋁态的能量。為了更好地顯示 0eV - 2eV 範圍内的擴散勢壘，縮小了 2 eV 以上的 y 坐标刻度。

結合熱力學以及動力學電化學性能， 文章提出了六種理想的鋁電池正極材料，分别為AlSc3N2, AlTi2C, AlZr4C3, AlZr3C2, AlZr4N3, and AlTi4C3，相應數據也均已開源（https://github.com/Jeff-oakley/Al-MAX_data）

【文章信息】

Computational Investigation of MAX as Intercalation Host for Rechargeable Aluminum-Ion Battery

(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202302584)

第一作者：王琳

通訊作者：歐陽彬*，王景陽*

單位：美國佛羅裡達州立大學，bat365在线平台官方网站