離子電池如鋰電池，鈉電池等受到大家的廣泛關注，通過DFT計算可以理論上描述離子在充放電過程中移動路徑及機理。3）差分電荷密度：反映材料與吸附物間的電子轉移能力。以下，我們通過10篇高質量文章，看看理論計算如何為電池材料研究提供幫助。1. 水合氫離子的表面誘導去溶劑化使銳鈦礦TiO2成為質子電池的有效陽極氫離子（H+）半徑小，是一種極具吸引力的儲能載流子。然而，由于極高的脫水能，氫離子通常以水合氫離子（H3O+）的形式存在，因此電極材料的選擇很大程度上局限于開放的骨架和具有大離子通道的層狀結構。海南大學文偉，日本京都工藝纖維大學Hisayoshi Kobayashi，浙江大學吳進明報道了質子可以深入到銳鈦礦型TiO2的塊體中，使其成為具有低氧化還原電位和低成本效率的極具吸引力的氫離子電池（HIBs）負極材料。密度泛函理論（DFT）計算表明，H3O+首先滲透到銳鈦礦型TiO2(001)表面，然后分解為H、H+和OH，最后H+在銳鈦礦型TiO2晶格中擴散。這種獨特的表面誘導去溶劑化現象使得質子的嵌入成為可能，在充放電過程中銳鈦礦型TiO2的體積變化可以忽略不計；在酸性電解液（0.5M H2SO4和2M MnSO4）中，以MnO2為正極和銳鈦礦型TiO2負極組裝成全電池。結果顯示，這種全電池在超級電容器般的比功率（47.9 kW/kg）下實現了143.2 Wh/kg的高比能量。因此，離子和電極之間相互作用的調節為電池優化開辟了新的前景。
Chao Geng, et al, Surface-Induced Desolvation of Hydronium Ion Enables Anatase TiO2 as an Efficient Anode for Proton Batteries, Nano Lett. 2021, 21, 7021?7029.DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02421https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c024212. 用于全固態鋰金屬電池的由極限能量機械合金觸發的多功能 Li6.5In0.25P0.75S5I 硫化物電解質硫化物固體電解質（SSEs）因其較高的離子導電性和合適的機械強度而引起人們的極大關注。然而，SSEs具有較差的空氣穩定性和高制備工藝成本等缺點，限制了其廣泛應用。浙江大學涂江平教授，Xiuli Wang報道了采用一種新的極限能量機械合金化（UEMA）方法一鍋快速合成硫銀鍺礦型電解質。根據硬-軟酸堿理論和第一性原理密度泛函理論（DFT）計算，研究人員嘗試在Li6PS5I中摻雜In以提高空氣穩定性，實驗結果表明該方法是可行的。合成的Li6.5In0.25P0.75S5I電解質具有較高的離子電導率（1.06 mS cm-1），與良好的鋰金屬界面穩定性，有利于形成富LiI的界面層；實驗結果顯示，以Li6.5In0.25P0.75S5I為中間層組裝的鋰硫電池具有較高的放電容量（954 mAh g-1），200次循環容量保持率達96%。因此，In摻雜的Li6PS5I是一種具有高空氣穩定性和離子導電性的新型電解質，在全固態金屬鋰電池中具有廣闊的應用前景。
A Versatile Li6.5In0.25P0.75S5I Sulfide Electrolyte Triggered by Ultimate-Energy Mechanical Alloying for All-Solid-State Lithium Metal Batteries Zhao Jiang, Adv. Energy Mater. 2021, 2101521
DOI: 10.1002/aenm.202101521
https://doi.org/10.1002/aenm.2021015213. 具有半相干相邊界的可控異質結促進 CoSe2/FeSe2的鉀存儲構建異質結是提高過渡金屬硒化物K+儲存的有效策略。自發形成的內電場對電荷輸運有很強的促進作用，并顯著降低了活化能。然而，基于能級梯度和晶格匹配度的界面區的完善仍然是一個巨大的挑戰。西安理工大學李喜飛教授，秦戩副教授報道了采用高效的簡化方法合成了同時具有豐富的空位和具有半共格相界的超細CoSe2-FeSe2異質結，其具有獨特的電子結構和豐富的活性中心，這種智能設計不僅改變了電子結構，而且促進了K+的擴散。CoSe2/FeSe2異質結界面具有以下幾個特點：i）具有豐富缺陷的獨特結構提供了豐富的活性中心，保證了高的贗電容貢獻，從而縮短了K+離子的輸運路徑，加速了反應動力學；ii）感應內建電場加速了電子/離子的擴散，有效地降低了電子轉移的活化勢壘，電化學阻抗譜（EIS）結果表明，整個電極的電阻得到了顯著降低；iii）對于異質界面，最小的晶格失配加強了CoSe2與FeSe2@C之間的相互作用；DFT計算表明，強化的界面K+吸附反應促進了鉀化過程。因此，所設計的結構強化的電極材料具有優異的循環耐久性和優異的倍率性能。實驗結果顯示，基于優化后的CoSe2/FeSe2@C異質結負極的PIBs在100 mA g?1下的可逆容量為401.1 mAh g?1，在2 A g?1下的可逆容量為275mAh g?1。考慮到異質結的面對面接觸結構和協同效應，這項研究有望對下一代充電電池的儲能提供重要的參考價值。
Hui Shan, et al, Controllable Heterojunctions with a Semicoherent Phase Boundary Boosting the Potassium Storage of CoSe2/FeSe2, Adv. Mater. 2021, 2102471
DOI: 10.1002/adma.202102471https://doi.org/10.1002/adma.2021024714. 富堿離子預插層氧化釩可實現持久和快速的鋅離子存儲釩氧化物是一類極有前途的可充電鋅離子電池正極材料。然而，釩材料固有的低電導率和不穩定的結構往往會導致電池性能的快速退化。華中科技大學黃亮副教授，美國南卡羅來納大學Kevin Huang，武漢大學江海峰副研究員報道了采用快速熔鹽法制備了一系列富堿金屬離子預插層MxV3O8。由于K+的預插層半徑比Li+和Na+大，因此KVO具有最大的孔道面積，有利于Zn2+在孔道內的擴散，從而大大提高了其電化學性能。相應地，KVO正極在0.1 A g?1下的容量為386 mA h g?1，高倍率充電?放電容量為153 mA h g?1，即使在30 A g?1的大電流密度下也表現出良好的長期循環穩定性，10 A g?1循環10000次后容量保持率為88.8%；密度泛函理論（DFT）計算表明，KVO的優異性能歸因于其比NaVO和LiVO具有更低的Zn擴散勢壘和更高的平均電壓。因此，富K離子的預嵌插不僅提高了循環穩定性，而且擴大了V3O8層間可逆鋅離子/質子插層的通道。這項工作的發現有助于開發新的可充電水系ZIBs正極材料。
Guoqun Zhang, et al, Rich Alkali Ions Preintercalated Vanadium Oxides for Durable and Fast Zinc-Ion Storage, ACS Energy Lett. 2021, 6, 2111?2120
DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00625
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c006255. 二維非晶MoO3?x @Ti3C2-MXene 非范德華異質結構作為鋰離子電池的負極材料二維（2D）異質結為尋找高性能的儲能材料提供了很好的機會，然而，由于它們之間的范德華（vdW）相互作用，性能提升存在天花板。鄭州大學許群教授，崔鑫煒，山東百多安生物醫用材料改性技術國家地方聯合工程實驗室Haijun Zhang報道了設計了一種新的簡便的合成路線，利用原位生成的HCl將Al刻蝕出MAX相，成功地制備了2D aMoO3-x@MXene非vdW異質結。所得到的2D異質結顯示出Mxene表面存在Ti-O-Mo共價鍵和O-末端缺陷并存，表現出良好的鋰離子存儲性能。密度泛函理論（DFT）計算表明，非vdW異質結對a MoO3-x具有很強的穩定性，有助于提高其在500次循環后的穩定性。此外，DFT還揭示了電導率的增強和二維鋰離子的擴散，從而解釋了其在1000 mA g-1時達到500 C g-1的優異倍率性能；由于兩個缺陷MoO3-x層之間的vdW相互作用減弱，在重新堆積的2D非vdW異質結中實現了簡單的2D Li+擴散，導致在400 s的電荷存儲時間內，非晶層表面的電容式擴散達到426 C g-1，而在50 mA g-1的非晶層內，擴散控制的層內擴散達到546 C g-1。這項研究從原子尺度揭示了新型2D MXene非vdW異質結在提高鋰離子存儲整體性能方面協同效應的原因，有望指導人們今后合理設計2D非vdW異質結材料和廣泛的非晶態材料，以滿足日益增長的儲能、燃料電池、電催化和傳感器等方面的性能要求。
Pengfei Yan, et al, 2D Amorphous-MoO3-x@Ti3C2-MXene Non-van der Waals Heterostructures as Anode Materials for Lithium-ion Batteries, Nano Energy, 2021, 86, 106139
DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106139https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.1061396. 具有新型MgV2O6·1.7H2O納米帶陰極的高倍率和超穩定水性鋅離子電池在過去的5年里，高安全性和低成本的水系鋅離子電池（AZIBs）引發了驚人的研究熱潮，正在成為電網規模儲能的競爭性替代儲能技術。然而，這項具有良好應用前景的技術的實際應用仍然受到有限的高性能和低成本的正極材料的嚴重困擾，這些材料可以實現高能量密度以及長循環穩定性。山東大學奚寶娟副教授報道了首次合成了氧化釩MgV2O6·1.7H2O納米帶的合成，并將其用作AZIBs的正極材料，其在初始放電過程中表現出非典型的Zn2+插層化學和部分但不可逆的Mg2+-Zn2+離子交換反應。由于這種獨特的電荷存儲機制和堅固的層狀結構，MgV2O6·1.7H2O電極實現了425.7 mAh g?1（0.2A g?1）的高度可逆容量，1500次循環（4 A g?1）后沒有發生可見的容量衰減的長循環穩定性，以及出色的倍率性能（10 A g?1下，容量達到182.1 mAh g?1），這可以通過在0.6 mV s-1下具有高達總容量88.4%的容量貢獻率的超高插層贗電容反應以及H+/Zn2+共插入行為來增強；密度泛函理論（DFT）計算結果表明，MgV2O6·nH2O電極具有較快的離子擴散動力學。這些結果為設計高性能的氧化釩正極材料提供了關鍵的指導。
Xiao Wang, et al, A High-Rate and Ultrastable Aqueous Zinc-Ion Battery with a Novel MgV2O6·1.7H2O Nanobelt Cathode, Small 2021
DOI: 10.1002/smll.202100318
https://doi.org/10.1002/smll.202100318雙金屬硫化物具有良好的導電性和更多的氧化還原活性中心，因此有望用于鈉離子混合電容器（SIHCs）的快速充放電。南開大學焦麗芳教授，中國人民武裝警察部隊后勤學院Yuchang Si報道了將Sb引入石墨烯SnS2形成Sb0.12Sn0.88S2/石墨烯（ATS/GNS），以提高Na+儲存動力學。在SnS2中Sn位引入Sb后，剩余的離域s電子形成半充滿離域的中間帶，從而有效地提高了電導率；密度泛函理論（DFT）計算表明，ATS對Na+具有較高的吸附能（-3.13 eV）和較低的擴散能壘（0.26 eV）；實驗結果顯示，ATS/GNS具有良好的穩定性，在1 A·g-1下3000次循環后的可逆容量為507 mAh g-1。摻雜ATS/GNS//N,S的多孔碳SIHC具有高的能量/功率密度（115 Wh·kg-1/351 W·kg-1和41 Wh·kg-1/18750 W·kg-1），在5 A·g-1下循環10000次后容量保持率高達70%。這項工作有望為設計高倍率和長期穩定的鈉基器件提供一條可行的途徑。
Zhiqin Sun, et al, Rapid Kinetics of Na-Ion Storage in Bimetallic Sulfide Composite, Energy Storage Materials (2021)
DOI：10.1016/j.ensm.2021.05.041
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.05.0418. 具有超快離子傳輸的強耦合2D過渡金屬硫族化物-MXene-碳質納米帶異質結構，可促進鈉/鉀離子存儲結合二維（2D）納米材料的優點，MXenes在下一代可充電電池中顯示出了巨大的潛力。與其他2D材料一樣，MXenes通常存在嚴重的自團聚、容量低、耐久性不佳等問題，特別是對較大的鈉/鉀離子而言，這影響了其實用價值。吉林大學韓煒教授與昆士蘭科技大學Ziqi Sun等人設計了一種由過渡金屬硒化物（MSe，M=Cu、Ni和Co）、MXene納米片和富氮碳納米帶（CNRibs）自組裝的具有超快離子傳輸特性的三元異質結，用于動力學緩慢的鈉離子（SIB）和鉀離子電池（PIB）。得益于多樣的化學特性，帶正電荷的MSe通過靜電吸附固定在帶負電的羥基（–OH）官能化MXene表面上，而真菌衍生的CNRibs通過氨基橋接和氫鍵與MXene的另一側結合；這種獨特的基于MXene的異質結構可防止2D材料的重新堆積，提高本征電導率，最重要的是，它提供了超快速的界面離子傳輸路徑以及額外的表面和界面存儲位點，從而提高了SIB和PIB應用的高倍率存儲性能；定量動力學分析和密度泛函理論（DFT）計算表明，MXenes的界面離子輸運比原始MXenes高幾個數量級。它提供了更強的Na+（536.3 mAh g?1 @ 0.1 A g?1）和K+（305.6 mAh g?1 @ 1.0 A g?1）存儲能力和優良的長期循環穩定性。這項工作為二維材料工程和低成本但動力學遲緩的后鋰電池提供了新的見解。
Junming Cao et al. Strongly Coupled 2D Transition Metal Chalcogenide-MXene-Carbonaceous Nanoribbon Heterostructures with Ultrafast Ion Transport for Boosting Sodium/Potassium Ions Storage. Nano-Micro Letters 2021, 13 (1), 113.DOI: 10.1007/s40820-021-00623-5.
https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-021-00623-59. Mxenes中機械力化學誘導的雙軸壓縮應變工程促進鋰存儲動力學應變調節因其可調特性使電化學材料具有良好的機械-電化學耦合性能，為實現高性能儲能釋放了巨大的潛力。MXenes具有優異的導電性、力學性能和較大的離子插入層間距，從而具有優異的儲鋰性能，然而，MXene納米片在電極中的重堆積，會導致其動力學遲滯。北京理工大學曹敏花教授，Jinwen Qin報道了一種非常有效的策略來解決其動力學遲緩問題，即通過機械力化學（MC）在Ti3C2Tx MXene中產生應變來最大化鋰離子電池（LIBs）的離子轉移動力學。研究人員通過X射線衍射、拉曼光譜和擴展X射線吸收精細結構譜對Ti3C2Tx MXene的應變狀態，即面外拉伸和相應的面內雙軸壓縮進行了綜合表征。各種實驗表征和密度泛函理論（DFT）計算結果表明，機械力化學誘導的應變Ti3C2Tx （MC-Ti3C2Tx）Mxene的鋰擴散勢壘得到了顯著降低，這與觀察到的快速離子轉移動力學直接相關；實驗結果顯示，MC-Ti3C2Tx電極具有較高的放電容量（0.1 A g-1時為380.5 mAh g-1）和優異的倍率性能，優于以往報道的大多數Ti3C2Tx電極。更重要的是，MC-Ti3C2Tx電極的離子傳遞動力學顯著增強，在較寬的溫度范圍（40到-20℃）表現出優異的儲鋰性能。
Jie Wang, et al, Mechanochemistry-Induced Biaxial Compressive Strain Engineering in MXenes for Boosting Lithium Storage Kinetics, Nano Energy, (2021)DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106053
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.10605310. 原位納米結晶和溶劑化調制促進高穩定性陽極涉及鉀離子電池的合金/脫合金鉀離子電池（PIBs）具有良好的K+/K標準氧化還原電位（?2.93V，接近Li+/Li的?3.04 V）和地殼中17000 ppm的競爭性K元素儲量，被認為是鋰離子電池最有前途的替代技術之一，因此近年來受到越來越多的研究關注。然而，與高活性金屬鉀相關的安全問題，使得尋找合適的負極材料作為鉀離子載體具有重要意義。理想的KIBs負極材料應具有較高的容量和良好的工作電位，極化電壓較低，鉀化電壓較高，接近K+/K對，以獲得較高的工作電壓和能量密度/效率。為推動鉀離子電池（PIBs）合金/非合金化學負極材料的發展，山東大學徐立強教授首次報道了一種理論容量為631 mAh g-1的二維（2D）(BiO)2CO3（BCO）納米片。基于（K2O+K2CO3+K3Bi）的躍遷，由二維納米片構成的層狀BCO具有631mAh g-1的較高理論容量，沿b-axis方向0.683 nm的晶格間距有利于K+離子在晶粒中的快速插入和擴散。而晶體中含K的鉍合金形成的原位納米晶化可以縮短K+離子在基體晶粒中的擴散，使整體顆粒結構穩定；與濃縮型KFSI-G2電解質耦合后，與稀溶液和KPF6-碳酸鹽電解質相比，長鏈的G2可以在溶劑化過程中將大尺寸的KFSI偶聯，高濃度時由于沒有游離的G2分子，促進了FSI-陰離子參與SEI的形成，得到了薄而結實的SEI，其中含有豐富的無機物種，從而協同賦予了花狀BCO的結構穩定性，并使其在0.2 A g-1下的循環容量為300 mAh g-1，循環1500次，僅有0.007%的超低衰減率；層級化BCO的動力學分析表明K+離子擴散系數約為10-12 cm2 s-1，并通過原位/非原位XRD和Raman分析揭示了電極的合金/脫合金和相變的電化學過程，此外，基于密度泛函理論（DFT）計算進一步從原子/分子水平進行了研究；BCO負極在0.3 V/0.55 V處的穩定平臺，使其與PTCDA正極耦合的PIB全電池具有較窄的電壓滯后和82%的高能效。集成的全電池在0.01 A g-1時的容量為530 mAh g-1，在0.03 A g-1下穩定保持225 mAh g-1的容量超過100次。此外，基于BCO的袋式電池的性能進一步顯示了其實際應用的潛力。
Lu Wang, et al, In-situ Nano-Crystallization and Solvation Modulation Promote Highly Stable Anode Involving Alloy/De-alloy for Potassium Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 15381–15389DOI: 10.1002/anie.202100654https://doi.org/10.1002/anie.202100654
