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　　工學院王前課題組在二維鋰電池材料研究中取得新進展

　　北京大學工學院應用物理與技術研究中心王前">王前課題組最近在二維新型鋰電池材料研究方面取得新進展。國際知名學術期刊Nanoscale近日以封面文章的形式刊發(fā)了他們題為 “ TiC2: A New Two-Dimensional Sheet beyond MXenes ”的研究論文，報道了他們模擬合成的一種含碳二聚體的新型過渡金屬碳化物二維材料。此材料在鋰電池中可望具有良好的應用前景。

　　隨著人類對清潔能源需求的日益增強，以及化石燃料引起的環(huán)境問題的不斷加劇，鋰電池因其較高的理論能量轉(zhuǎn)化效率以及成熟的商業(yè)化應用一直得到人們的青睞。然而，鋰電池負極材料的儲存能力的瓶頸問題阻礙了它在實際應用領域的提高。 尋找性能更好的替代品使得鋰電池負極的能量儲存量與轉(zhuǎn)化效率超過目前的工業(yè)化材料已成為材料研究領域的重要課題。碳基材料如石墨烯及其衍生物在鋰電池負極材料領域展現(xiàn)了其優(yōu)越性，如對酸堿性電解液的耐受性好等。但純碳組成的石墨烯結(jié)構(gòu)材料的鋰離子吸附位點少，而之后發(fā)現(xiàn)的含有過渡金屬的碳化物MXenes材料雖然具有多個吸附位點，由于過渡金屬含量過高，導致作為電極材料時能量密度較低和鋰電池容量不高。從80年代開始，研究人員成功合成了一種化學計量數(shù)為M8C12 (M為過渡金屬)的金屬碳化物分子Metcar，這種分子中碳和金屬原子的成鍵方式十分獨特：所有的碳都以二聚體的形式與金屬原子結(jié)合。受此啟發(fā)，王前">王前課題組運用類似的拓撲結(jié)構(gòu)設計了低金屬含量的TiC2二維結(jié)構(gòu)，并應用第一性原理計算與NEB彈性爬坡勢壘動力學相結(jié)合的方式研究了鋰離子在TiC2二維結(jié)構(gòu)表面的吸附位點、擴散路徑和勢壘，探討了該材料作為鋰離子電池負極材料的可能性和應用前景。

　　王前">王前課題組通過深入地計算模擬研究發(fā)現(xiàn)，TiC2層狀結(jié)構(gòu)具有良好的動力學與熱學穩(wěn)定性，在摻入鋰離子前后體系結(jié)構(gòu)能始終保持穩(wěn)定;能帶結(jié)構(gòu)計算表明，TiC2層狀結(jié)構(gòu)具有金屬特性，并且費米面附近的能帶由鈦和碳元素共同貢獻，在鋰離子電池中可作為良好的導體應用。更為優(yōu)良的是，與一般鋰電池負極材料相比，TiC2結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的鋰離子輸運的能力，最低躍遷勢壘僅為商用TiO2電池的1/3，其開路電壓的大小與一般的商用石墨電極相當，這種優(yōu)異的鋰離子輸運能力得益于它良好的金屬性。最后，這種TiC2材料的鋰電池儲存密度是商用TiO2電池的3倍。這一發(fā)現(xiàn)工作為新型鋰電池負極材料的設計提供了借鑒，有助于未來在結(jié)構(gòu)層面上設計更多的鋰電池負極材料。

　　該論文的第一作者是北京大學應用物理與技術研究中心王前">王前課題組博士研究生趙天山，通訊作者是王前">王前。該研究工作得到了國家自然科學基金、973重大基礎研究項目、以及教育部博士點基金的資助。

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