結果簡介具有MAX相及其類似物（一般AMN+1XN）的層狀碳化物已成為儲能和轉換應用的有效材料，而儲能的乙個熱門領域是使用MAX作為Al離子插層電極。 最近歐陽斌，王琳，佛羅里達州立大學，王景陽，加州大學，等共計計425個三元MAX鋁離子電池電極。
計算方法：
作者使用維也納從頭模擬封裝（VASP）和投影增強波（PAW）方法進行DFT計算，並將電子步長的收斂準則設定為10 6 EV，將離子步長的收斂準則設定為002 ev a−1。作者使用Meta-GGA中的R2Scan方法進行結構鬆弛，並使用RVV10函式處理范德華相互作用。 對於所有DFT計算，作者構建了乙個4 4 1超單元，以避免週期性結構之間的非物理相互作用。 此外，作者使用CI-NEB方法計算了AL擴散的活化勢壘。
結果與討論
圖1 各種MAX相的晶體結構
如圖1所示，MAX相具有P63 MMC空間群的六方晶格結構，當n等於1時，它們以最簡單的形式結晶，如M2ax（211）。 當 N > 1 時，A 層中 2D [M2X] 切片的數量增加，構成更厚的 Mn+1xN 層，而 A 層保持不變。 此外，當 n 等於 2 （312） 和 3 （413） 時，A 和 Mn+1xN 層的相對位置發生變化並產生兩種不同的 MAX 多晶型，用 和 表示。 如圖 1 所示，對於 312 和 413 相，以及多晶型物都具有相同的 mn+1xn 主鏈，然而，在晶型物中，元素 A 位於與相鄰 M6x 八面體邊緣共享的稜柱形位置，而在多型性中，A 和相鄰的 M6x 八面體的稜柱位置由麵共享。
圖2 高吞吐計算工作流
如圖 2 所示，對於每個 n 值，作者考慮了 17 種金屬 （m） 和 5 種陰離子 （x），因此每種模型成分都有 85 種不同的成分。 對於 n = 2,3 的結構，包括兩種型別的層狀堆積 （ 和 ），僅在 Al 離子的相對位置上有所不同：相中的 Al 離子位於第二個相鄰金屬位點的頂部，而相中的 Al 陽離子位於最近的陰離子位點的頂部。 這導致 425 種 MAX 化合物被用於 DFT 計算，作者將 Ehull 100 Mevatom 1 設定為化合物的合成邊界，以合理評估材料的穩定性。
圖3 MAX化合物的穩定性圖
如圖 3 所示，對於 ALM3X2 和 ALM4X3，堆疊之間的 EHULL 值較低。 如三角形所示，所有實驗合成的含ALmax相都被正確地歸類為穩定相（ehull 100 mev原子1），表明計算結果有能力成為更新的材料。 除了實驗報告的材料外，還有 28 種新的 MAX 相可用。
圖4 相與相之間的ehull差異
如圖 4 所示，ehull， ehull， 0 的分量表示有堆疊的傾向，而 ehull， ehull， 0 的分量有堆疊的傾向。 大多數元件是堆疊的，而 ALM3X2 和 ALM4X3 中分別只有 21 個和 22 個元件具有堆疊。
圖5 穩定MAX化合物的電化學效能
如圖5a所示，電壓高度依賴於金屬和陰離子種類，而不是堆疊順序。 此外，與普通碳化物相比，氮化物表現出更高的電壓，這歸因於氮化物和碳化物在鍵共價性方面的相似性。 圖 5b 顯示了 44 種穩定 MAX 材料的能量密度（範圍為 40。99 到 38687 Wh kg1），其中 18 種 MAX 材料的能量密度高於 165 Wh kg1。
圖6 鋁在MAX中的遷移途徑
作者發現，鍍鋁態和脫鋁態之間的擴散途徑不同，這可以通過圖6a，b中的箭頭和圖6c，d中所示的最小能量路徑來說明。 更具體地說，脫鋁狀態下的AL遷移是通過鋸齒形路徑，該路徑穿過未佔據的稜柱形位點，該位點被-相的多晶型佔據。 因此，鞍點是由兩個稜柱形位點之間的四種金屬形成的空正方形的中心，並且該離子遷移將有兩個鞍點。 如圖 6c 所示，在擴散路徑中，未占用的稜柱形位點將用作區域性最小值。 此外，對於鍍鋁狀態，Al離子將通過Al離子和相鄰空位之間的直線擴散，如圖6d所示。 因此，沿擴散路徑不會有區域性最小值。
圖7：單個空位擴散的活化勢壘能
如圖7所示，鍍鋁態和脫鋁態將決定AL離子擴散勢壘的上限和下限，一般來說，鍍鋁態比脫鋁態具有更高的活化能。 但是，在 44 個系統（alta2b、alta2c、alzr4n3、alw2b、alzr4p3 和 alhf3n2）中也有 6 個例外。 此外，作者發現 18 種 MAX 物質在鍍鋁和脫鋁狀態下都具有 <2 EV Atom 1 的潛在勢壘。 作者在圖7中繪製了虛線，將這些材料與其他具有高擴散勢壘的材料分開。
圖8 能量密度和平均電壓與其他報道的鋁離子電池的比較
圖8總結了已報道的鋁離子電極的電化學效能，可分為有機電極、碳基電極和復合電極。 此外，如圖8所示，碳電極的奈米結構具有很寬的電壓範圍，這也意味著奈米結構的最大值應遵循相同的路徑來延長電壓視窗。
結論與展望作者對 17 種典型過渡金屬、5 種陰離子（C、N、B、SI 和 P）、3 種化學計量（n 和 3）和 2 個層狀堆疊（和）的組合空間進行了相圖計算。 在所有三元MAX材料中，有44種材料具有合理的合成可及性，其中6種具有優異的效能，有望成為高效鋁離子電池電極。 憑藉相位穩定性和電化學效能（平均電壓、理論容量、能量密度和鋁擴散勢壘），這項工作為基於 MAX 的鋁離子電池背後的巨大機會提供了全面的計算評估。
書目資訊lin wang et.al computational investigation of max as intercalation host for rechargeable aluminum-ion battery adv. energy mater. 2023
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