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新材料设计研究团队在材料科学领域继续发表高水平学术论文
2022-01-16  点击:[]

近日,我院新材料设计研究团队在国际材料科学领域权威英文期刊《Applied Surface Science》(APPL SURF SCISCI一区,IF= 6.386)发表题为“Two-dimensional SiP3 Monolayer as Promising Anode with Record-high Capacity and Fast Diffusion for Alkali-ion Battery(二维SiP3单分子膜在碱离子电池高容量快速扩散阳极的性质研究)论文。该期刊学术影响力在材料科学(Surfaces, Coatings and Films)期刊中排名第88/123)。论文第一作者为我校9170官方金沙2020级硕士研究生蒯越,通讯作者为陈长城副教授、北京邮电大学/中科院高能物理研究所伍力源研究员,西安建筑科技大学为论文第一完成单位。

储能系统极大地影响着人们的日常生活,从便携式设备、电动汽车和混合动力汽车,到大型电网和各种电子设备。可充电锂离子电池以其储能效率高、循环寿命长、重量轻等特点主导着储能市场。这种储能技术在促进能源商业化和可持续发展的同时,也面临着理论比容量低、安全性差、锂资源枯竭等问题。因此,迫切需要寻找替代电池系统,特别是能够容纳高储能的非锂离子电极材料。

论文系统研究了SiP3单层膜的几何结构、稳定性和电子性能。系统分析了SiP3单分子层锂离子、钠离子和钾离子的吸附能和电子性质,包括电荷密度差、巴德电荷、能带和态密度。利用锂离子、钠离子和钾离子浓度分析了碱金属离子电池SiP3单分子层作为阳极的理论比容量、开路电压和晶格参数的变化。研究了锂离子、钠离子和钾离子沿不同路径的扩散垒,并比较了SiP3单分子层与相关高性能电极材料的最大理论比容量和扩散垒,证实了SiP3单分子层作为新一代电极材料具有很大的潜力。

该项研究工作揭示了SiP3单分子层的金属性能保证了电池保持良好的导电性。锂离子、钠离子和钾离子电池的比容量远高于蓝磷电池,分别高达2658.41993.81107.8 mAh/g,并且,晶格参数的变化分别仅为8.323.214.81%。磷原子六元环的存在加速了锂离子、钠离子和钾离子的扩散,极大降低了扩散势垒,分别达到0.110.060.03 eVSiP3单层膜的低扩散阻挡层和平均开路电压保证了在实际应用中充放电速度快,使用寿命长。结果表明,SiP3单分子层锂、钠、钾离子电池的高性能电极材料领域提供了广阔的应用前景。


1 应用于碱离子电池的高容量快速扩散二维SiP3单分子膜

新材料设计研究团队成立于20201月,依托西安建筑科技大学和北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室,以交叉创新为引擎,形成了以中青年教师及博士为主,结构合理、学缘宽泛、创新精神及科研能力强的研究团队。团队结合青年教师的基础能力和特点,挖掘科研潜力,发挥交叉创新优势,突出平台自身特色,聚焦计算方法、能源材料和光电材料等科研方向,取得了显著成效和丰硕成果。


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