ОЭММПУТеплофизика высоких температур High Temperature

  • ISSN (Print) 0040-3644
  • ISSN (Online) 3034-610X

МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ ТЕОРИИ ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ ИНТЕРКАЛЯЦИИ ИОНОВ В ГЕКСАЦИАНОФЕРРАТЫ ЖЕЛЕЗА И МЕДИ

Код статьи
S3034610XS0040364425020091-1
DOI
10.7868/S3034610X25020091
Тип публикации
Статья
Статус публикации
Опубликовано
Авторы
Том/ Выпуск
Том 63 / Номер выпуска 2
Страницы
229-236
Аннотация
В данной работе исследуются гексацианоферраты железа и меди в качестве катода для K- и Mg-ионных аккумуляторов. С помощью моделирования методом функционала плотности найдены наиболее стабильные конфигурации гексацианоферратов железа и меди с интеркалированными ионами, определены потенциалы интеркаляции. Подтверждена экспериментально наблюдавшаяся ранее невозможность обратимой интеркаляции ионов Mg в исследуемые структуры из водных электролитов. Дано объяснение данному эффекту.
Ключевые слова
Дата публикации
13.05.2025
Год выхода
2025
Всего подписок
0
Всего просмотров
9

Библиография

  1. 1. Wu X., Song K., Zhang X., Hu N., Li L., Li W., Zhang L., Zhang H. Safety Issues in Lithium Ion Batteries: Materials and Cell Design // Front. Energy Res. 2019. V. 7. P. 65.
  2. 2. Schmuch R., Wagner R., Hörpel G., Placke T., Winter M. Performance and Cost of Materials for Lithium-based Rechargeable Automotive Batteries // Nat. Energy. 2018. V. 3. № 4. P. 267.
  3. 3. Zhu W., Li A., Wang Z., Yang J., Xu Y. Metal—Organic Frameworks and Their Derivatives: Designing Principles and Advances toward Advanced Cathode Materials for Alkali Metal Ion Batteries // Small. 2021. V. 17. № 22. P. 2006424.
  4. 4. Wessells C.D., Huggins R.A., Cui Y. Copper Hexacyanoferrate Battery Electrodes with Long Cycle Life and High Power // Nat. Commun. 2011. V. 2. № 1. P. 550.
  5. 5. Wang B., Liu S., Sun W., Tang Y., Pan H., Yan M., Jiang Y. Intercalation Pseudocapacitance Boosting Ultrafast Sodium Storage in Prussian Blue Analogs // ChemSusChem. 2019. V. 12. № 11. P. 2415.
  6. 6. Wang R.Y., Wessells C.D., Huggins R.A., Cui Y. Highly Reversible Open Framework Nanoscale Electrodes for Divalent Ion Batteries // Nano Lett. 2013. V. 13. № 11. P. 5748.
  7. 7. Mizuno Y., Okubo M., Hosono E., Kudo T., Zhou H., Oh-ishi K. Suppressed Activation Energy for Interfacial Charge Transfer of a Prussian Blue Analog Thin Film Electrode with Hydrated Ions (Li, Na, and Mg) // J. Phys. Chem. C. 2013. V. 117. № 21. P. 10877.
  8. 8. Sun X., Duffort V., Nazar L.F. Prussian Blue Mg—Li Hybrid Batteries // Adv. Sci. 2016. V. 3. № 8. P. 1600044.
  9. 9. Komayko A.I., Ryazantsev S.V., Trussov I.A., Arkharova N.A., Presnov D.E., Levin E.E., Nikitina V.A. The Misconception of Mg Insertion into Prussian Blue Analogue Structures from Aqueous Solution // ChemSusChem. 2021. V. 14. № 6. P. 1574.
  10. 10. Ling Y., He B., Han L., Gong W., Chang C., Zhang Q. Two-electron Redox Chemistry Enables Potassium-free Copper Hexacyanoferrate as High-capacity Cathode for Aqueous Mg-ion Battery // InfoMat. 2024. V. 6. № 6. P. 12549.
  11. 11. Asai M., Takahashi A., Tajima K., Tanaka H., Ishizaki M., Kurihara M., Kawamoto T. Effects of the Variation of Metal Substitution and Electrolyte on the Electrochemical Reaction of Metal Hexacyanoferrates // RSC Adv. 2018. V. 8. № 65. P. 37356.
  12. 12. Gamachiralalage J.G., Singh K., Sahin S., Yoon J., Elimelech M., Suss M.E., Liang P., Biesheuvel P.M., Zornitta R.L., De Smet L.C.P.M. Recent Advances in Ion Selectivity with Capacitive Deionization // Energy Environ. Sci. 2021. V. 14. № 3. P. 1095.
  13. 13. Ling C., Chen J., Mizuno F. First-principles Study of Alkali and Alkaline Earth Ion Intercalation in Iron Hexacyanoferrate: The Important Role of Ionic Radius // J. Phys. Chem. C. 2013. V. 117. № 41. P. 21158.
  14. 14. Targholi E., Mousavi-Khoshdel S.M., Rahmanifara M., Yahya M.Z.A. Cu- and Fe-Hexacyanoferrate as Cathode Materials for Potassium Ion Battery: A First-principles Study // Chem. Phys. Lett. 2017. V. 687. P. 244.
  15. 15. Jiang P., Shao H., Chen L., Feng J., Liu Z. Ion-selective Copper Hexacyanoferrate with an Open-framework Structure Enables High-voltage Aqueous Mixed-ion Batteries // J. Mater. Chem. A. 2017. V. 5. № 32. P. 16740.
  16. 16. Wang X., Pandey S., Fullarton M., Phillpot S.R. Study of Incorporating Cesium into Copper Hexacyanoferrate by Density Functional Theory Calculations // J. Phys. Chem. C. 2021. V. 125. № 43. P. 24273.
  17. 17. Chen L., Shao H., Zhou X., Liu G., Jiang J., Liu Z. Water-mediated Cation Intercalation of Open-framework Indium Hexacyanoferrate with High Voltage and Fast Kinetics // Nat. Commun. 2016. V. 7. № 1. P. 11982.
  18. 18. Guo X., Wang Z., Deng Z., Li X., Wang B., Chen X., Ong S.P. Water Contributes to Higher Energy Density and Cycling Stability of Prussian Blue Analogue Cathodes for Aqueous Sodium-ion Batteries // Chem. Mater. 2019. V. 31. № 15. P. 5933.
  19. 19. Qiwang D.O., Grins J., Wardecki D., Valvo M., Reiman V., Haggström L., Ericsson T., Gustafsson T., Mahmoud A., Hermann R.P., Svensson G. Structure Characterization and Properties of K-containing Copper Hexacyanoferrate // Inorg. Chem. 2016. V. 55. № 12. P. 5924.
  20. 20. Wang X., Ta A.T., Quemerais S., Grandjean A., Zur Love H.-C., Phillpot S.R. Incorporation of Alkali Ions into Hydrated Copper Hexacyanoferrate by Density Functional Theory Calculations // Chem. Mater. 2024. V. 36. № 14. P. 6731.
  21. 21. Herren F., Fischer P., Lüdi A., Häg W. Neutron Diffraction Study of Prussian Blue, Fe[Fe(CN)]·xHO. Location of Water Molecules and Long-range Magnetic Order // Inorg. Chem. 1980. V. 19. № 4. P. 956.
  22. 22. Sharma V.K., Mitra S., Thakur N., Yusuf S.M., Jurányi F., Mukhopadhyay R. Dynamics of Water in Prussian Blue Analogues: Neutron Scattering Study // J. Appl. Phys. 2014. V. 116. № 3. P. 034909.
  23. 23. Kresse G., Joubert D. From Ultrasoft Pseudopotentials to the Projector Augmented-wave Method // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. № 3. P. 1758.
  24. 24. Anisimov V.I., Zaanen J., Andersen O.K. Band Theory and Mott Insulators: Hubbard U instead of Stoner I // Phys. Rev. B. 1991. V. 44. № 3. P. 943.
  25. 25. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. № 18. P. 3865.
  26. 26. Aydinol M.K., Kohan A.F., Ceder G., Cho K., Joannopoulos J. Ab Initio Study of Lithium Intercalation in Metal Oxides and Metal Dichalcogenides // Phys. Rev. B. 1997. V. 56. № 3. P. 1354.
  27. 27. Liu C., Neale Z.G., Cao G. Understanding Electrochemical Potentials of Cathode Materials in Rechargeable Batteries // Mater. Today. 2016. V. 19. № 2. P. 109.
  28. 28. Urban A., Seo D.-H., Ceder G. Computational Understanding of Li-ion Batteries // Npj Comput. Mater. 2016. V. 2. № 1. P. 16002.
  29. 29. Aydinol M.K., Kohan A.F., Ceder G. Ab Initio Calculation of the Intercalation Voltage of Lithium–Transition-metal Oxide Electrodes for Rechargeable Batteries // J. Power Sources. 1997. V. 68. № 2. P. 664.
  30. 30. Julien C., Mauger A., Zaghib K., Groult H. Comparative Issues of Cathode Materials for Li-ion Batteries // Inorganics. 2014. V. 2. № 1. P. 132.
  31. 31. Linstrom P. NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database 69. National Institute of Standards and Technology, 1997.
  32. 32. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 97th ed. / Eds. Haynes W.M., Lide D.R., Bruno T.J. CRC Press, 2016.
  33. 33. Sai Gautam G., Canepa P., Richards W.D., Malik R., Ceder G. Role of Structural HO in Intercalation Electrodes: The Case of Mg in Nanocrystalline Xerogel-VO // Nano Lett. 2016. V. 16. № 4. P. 2426.
  34. 34. Ozolins V., Zhou F., Asta M. Ruthenia-based Electrochemical Supercapacitors: Insights from First-principles Calculations // Acc. Chem. Res. 2013. V. 46. № 5. P. 1084.
  35. 35. Lin H., Zhou F., Liu C.-P., Ozolins V. Non-Grotthuss Proton Diffusion Mechanism in Tungsten Oxide Dihydrate from First-principles Calculations // J. Mater. Chem. A. 2014. V. 2. № 31. P. 12280.
  36. 36. Laubach S., Laubach S., Schmidt P.C., Ensling D., Schmid S., Jaegermann W., Thissen A., Nikolowski K., Ehrenberg H. Changes in the Crystal and Electronic Structure of LiCoO and LiNiO upon Li Intercalation and De-intercalation // Phys. Chem. Chem. Phys. 2009. V. 11. № 17. P. 3278.
  37. 37. Chatenet M., Pollet B.G., Dekel D.R., Dionigi F., Deseure J., Millet P., Braatz R.D., Bazant M.Z., Eikerling M., Staffell I., Balcombe P., Shao-Horn Y., Schiffer H. Water Electrolysis: from Textbook Knowledge to the Latest Scientific Strategies and Industrial Developments // Chem. Soc. Rev. 2022. V. 51. № 11. P. 4583.
QR
Перевести

Индексирование

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Высшая аттестационная комиссия

При Министерстве образования и науки Российской Федерации

Scopus

Научная электронная библиотека