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近日，必赢bwin线路检测中心王景阳助理教授与佛罗里达州立大学欧阳彬教授团队合作，通过高通量计算筛选了潜在的MAX型铝离子电池电极材料。通过第一性原理相图计算稳定性和电化学性能预测（如平均电压、理论容量和能量密度，以及铝扩散势垒等），从理论上揭示了将 MAX型材料设计为铝离子电池正极的潜力与可行性。

研究背景：

MAX 相是化学通式为Mn+1AXn（n=1，2，3）的一系列层状过渡金属碳化物/氮化物，通常具有优异的热稳定性、机械性能、导热性和抗氧化性等性质，在航空航天、能源、电子等领域有着广泛的应用潜力。在所有潜在的铝离子电池正极材料中，MAX 因其非凡的电子导电性、元素在地球的高丰度以及层状键拓扑结构等特点脱颖而出。此外，MAX 还可以制成不同的纳米结构，如MXene纳米片，也为调整电化学性能提供了额外的空间。

文章要点：

本文首选通过枚举法以及相图计算筛选了有望合成的MAX型材料，包括17种过渡金属元素，5种阴离子，3种化学计量比及其两种层状堆叠方式（），共425种MAX材料，通过DFT及相图计算确定了其中44种具有实验合成的可能性，同时计算显示这44种材料均为层状堆叠。

图 1. MAX化合物第一性原理热力学稳定性热图，共有44种稳态或亚稳态MAX型材料具有实验合成的可能性（黑色方框），其中有16种已被先前实验所验证。

针对44种可合成材料，文章计算了其相应的热力学性质包括平均电压，平均电池容量以及能量密度。值得一提的，MAX铝离子电池作为正极具有高理论电池容量。同时文章模拟了Al离子扩散的动力学性能，考虑了两种Al离子的临界浓度，即存在单一空缺时的状态(铝化态，aluminated state)和存在单一Al离子时的状态(脱铝态，dealuminated state)。ci-NEB计算显示出在两种不同状态下Al离子的不同扩散路径（如图2），其中在脱铝态，Al离子在扩散的过程中经过相邻的层状堆叠时的Al离子位（如图2a），同时能量在层状堆叠时的Al离子位达到局部最小值（如图2c），而在铝化态情况下，由于Al离子间的相互排斥，Al离子的扩散路径呈直线（如图2b），并且不存在能量的局部最小值（如图2d）。

图 2. 通过 (a) 脱铝态；(b) 铝化态，铝在 MAX 中的迁移路径。左图为扩散路径的俯视图，右图为透视图。铝、金属和空位分别显示为灰色、橙色和白色球体。不同铝空位环境下沿迁移路径的能量： (c) 脱铝态；(d) 铝化态。

利用铝化态和脱铝态，文章估算铝离子扩散活化势垒能的边界。更具体地说，这两种状态将决定铝离子扩散势垒能的上限和下限。从图 3中可以看出，铝化态的活化势垒能普遍高于脱铝态。同时，18 种 MAX 材料在铝化态和脱铝态下的势垒能均小于 2 eV/atom，也表现出MAX 材料做为铝离子电池正极的潜力。

图 3. 垂直条形图显示了计算出的稳定/近稳定 MAX 相的单一空位扩散（铝化态）和单一铝扩散（脱铝态）的活化势垒能： AlM2X 为橙色；AlM3X2 为蓝色；AlM4X3 为灰色。正方形表示铝化态的能量，圆形表示脱铝态的能量。为了更好地显示 0eV - 2eV 范围内的扩散势垒，缩小了 2 eV 以上的 y 坐标刻度。

结合热力学以及动力学电化学性能， 文章提出了六种理想的铝电池正极材料，分别为AlSc3N2, AlTi2C, AlZr4C3, AlZr3C2, AlZr4N3, and AlTi4C3，相应数据也均已开源（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)

第一来源：必赢bwin线路检测中心王琳

通讯来源：必赢bwin线路检测中心欧阳彬*，王景阳*

单位：美国佛罗里达州立大学，必赢bwin线路检测中心