電池制造商受到生產高能量密度和更快充電的電池需求的驅動。為了滿足這樣的要求，需要將高性能負極材料與下一代液體電解質結合起來。石墨烯制成的負極具有革新下一代可充電鋰/鈉離子電池的巨大潛力。盡管實驗已經證明了石墨烯負極的能力，但基于真空的密度泛函理論（DFT）計算預測，由于Li/Na的插層有限且擴散率不令人滿意，純石墨烯的性能較差。在電池中，取決于介質的極化率，電極和金屬原子之間的相互作用可能會發生變化，這可能會影響性能。在此，使用隱式溶劑化DFT計算研究了液體電解質的介電常數對石墨烯基Li/Na離子電池性能的影響。發現石墨烯與吸附原子之間的結合能隨ε
r單調增加，甚至從正變到負，表明在能量上有利于插層并改善了存儲。同樣，在εr≥11.5的情況下，發現Li（Na）的擴散相對于真空急劇增加了106（2×102）倍。這些結果提供了對基于石墨烯的離子電池操作的見解，并為其設計提供了指導。
Figure 1. Li/Na原子與石墨烯之間的（a）垂直距離和（b）電子電荷轉移是ε
r的函數。石墨烯上鍵合的Li原子的極化電荷密度（p
pol），其極化表面為（c）ε
r=2.37和（d）ε
r=78.4的可極化介質包圍。
Figure 2. 在石墨烯上，Li和Na在（a）扶手椅和（d）之字形方向上的平均自由程。Li（b,e）和Na（c,d）分別在扶手椅和之字形方向的相關能量分布圖（右）
Figure 3. 在（a）扶手椅和（b）之字形方向上，Li/Na在石墨烯上擴散的能壘是ε
r的函數。插圖表示綠色虛線矩形內區域的放大視圖。
Figure 4. 石墨烯上，300 K下，扶手椅方向，Li和Na的遷移速率隨ε
r（相對于真空）增大，速率增強
相關研究成果于2020年由多倫多大學Chandra Veer Singh課題組，發表在Carbon（doi.org/10.1016/j.carbon.2020.02.001）上。原文：Dramatic improvement in the performance of graphene as Li/Na battery anodes with suitable electrolytic solvents。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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