Q-Carbon: A New Carbon Allotrope with a Low Degree of s–p Orbital Hybridization and Its Nucleation Lithiation Process in Lithium-Ion Batteries

材料科学 碳纤维 锂(药物) 成核 化学物理 相(物质) 扩散 纳米技术 结晶学 化学工程 热力学 化学 有机化学 复合材料 物理 内分泌学 工程类 复合数 医学
作者
Ruqian Lian,Jianrui Feng,Xin Chen,Dashuai Wang,Dongxiao Kan,Gang Chen,Yingjin Wei
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (1): 619-626 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acsami.9b17010
摘要

A novel metallic carbon allotrope, Q-carbon, was discovered using first-principles calculations. The named Q-carbon possessed a three-dimensional (3D) cage structure formed by carbon atoms with three ligands. The energy distribution of electrons in different orbitals revealed that Q-carbon has a low degree of s–p orbital hybridization. The calculated Li+ binding energies suggested Li+ aggregation inside Q-carbon during lithiation. As a result, a Li8C32 phase was formed and gradually expanded in Q-carbon, implying a typical two-phase transition. This allowed Q-carbon to have a constant theoretical voltage of 0.40 V, which effectively inhibited Li dendrite formation. A stable Li8C32/C32 two-phase interface was confirmed by stress–strain analysis, and a calculated Li+ diffusion barrier of ∼0.50 eV ensured effective Li+ diffusion along a 3D pathway. This study was of great significance for the understanding of two-phase transition of Li+ storage materials and provided a new insight into the design of new carbon materials for energy storage applications.
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