Sodium-ion batteries require anodes that combine high capacity, low operating voltage, fast Na-ion transport, and mechanical stability, which conventional anodes struggle to deliver. Here, we use the SpookyNet machine-learning force field (MLFF) together with all-electron density-functional theory calculations to characterize Na storage in aminobenzene-functionalized Janus graphene (Na$_x$AB) at room-temperature. Simulations across state of charge reveal a three-stage storage mechanism-site-specific adsorption at aminobenzene groups and Na$_n$@AB$_m$ structure formation, followed by interlayer gallery filling-contrasting the multi-stage pore-, graphite-interlayer-, and defect-controlled behavior in hard carbon. This leads to an OCV profile with an extended low-voltage plateau of 0.15 V vs. Na/Na$^{+}$, an estimated gravimetric capacity of $\sim$400 mAh g$^{-1}$, negligible volume change, and Na diffusivities of $\sim10^{-6}$ cm$^{2}$ s$^{-1}$, two to three orders of magnitude higher than in hard carbon. Our results establish Janus aminobenzene-graphene as a promising, structurally defined high-capacity Na-ion anode and illustrate the power of MLFF-based simulations for characterizing electrode materials.


翻译:钠离子电池需要兼具高容量、低工作电压、快速的钠离子传输和机械稳定性的负极材料,而传统负极难以同时满足这些要求。本文采用SpookyNet机器学习力场结合全电子密度泛函理论计算,在室温下表征了氨基苯功能化Janus石墨烯(Na$_x$AB)中的钠存储特性。跨荷电状态的模拟揭示了三阶段存储机制——氨基苯基团上的位点特异性吸附与Na$_n$@AB$_m$结构形成,随后是层间通道填充——这区别于硬碳中多阶段孔隙、石墨层间和缺陷控制的行为。该机制导致开路电压曲线呈现与Na/Na$^{+}$相比0.15 V的宽低压平台,估算重量容量约为400 mAh g$^{-1}$,体积变化可忽略不计,钠扩散系数约为10$^{-6}$ cm$^{2}$ s$^{-1}$,比硬碳高两到三个数量级。我们的研究结果确立了Janus氨基苯-石墨烯作为一种有前途的、结构明确的高容量钠离子负极材料,并展示了基于MLFF模拟在表征电极材料方面的强大能力。

0
下载
关闭预览

相关内容

《石墨烯在水泥基材料中的军事应用》2023最新论文
专知会员服务
21+阅读 · 2023年8月30日
【综述】基于人工智能的电池制造和管理
专知会员服务
29+阅读 · 2022年8月23日
【Cell】可扩展深度图神经网络的高性能材料性能预测
专知会员服务
18+阅读 · 2022年5月4日
【AAAI 2022】 GeomGCL:用于分子性质预测的几何图对比学习
专知会员服务
24+阅读 · 2022年2月27日
Nature子刊:电催化合成氨领域获得突破!
材料科学与工程
10+阅读 · 2019年3月9日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
新型阻变存储器的物理研究与产业化前景
中国物理学会期刊网
13+阅读 · 2017年11月1日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
VIP会员
最新内容
AutoScientists:自组织智能体团队驱动长期科学实验
战略前沿人工智能的再思考(中文)
专知会员服务
3+阅读 · 今天14:53
《量化地基防空系统间接效应的博弈论方法》
专知会员服务
3+阅读 · 今天14:51
“史诗怒火行动”中美军损失的作战飞机
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:38
ICML 2026 | 理解上下文持续学习中的泛化与遗忘
专知会员服务
5+阅读 · 5月28日
Agent Harness综述:大模型智能体执行器工程全景
专知会员服务
13+阅读 · 5月28日
《基于理论的威慑效能评估》
专知会员服务
8+阅读 · 5月28日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员