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Ferromagnetic Two-Dimensional Fe3GaTe2 and Ni-Doped Fe3GaTe2 as Electrocatalysts for Lithium-Sulfur Batteries: a First-Principles Study

铁磁性 锂(药物) 兴奋剂 硫黄 材料科学 凝聚态物理 无机化学 冶金 化学 物理 光电子学 医学 内分泌学
作者
Junru Wang,Zhichao Liu,Yinchang Zhao,Zhenhong Dai
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
标识
DOI:10.1039/d5cp01957e
摘要

Li-S batteries are regarded as next-generation energy storage solutions due to their exceptional theoretical capacity. However, their practical application is hindered by the shuttling effects of lithium polysulfides (LiPSs) and the sluggish decomposition of Li2S. Addressing these challenges necessitates the development of effective catalysts that can accelerate the conversion of LiPSs and enhance the performance of Li-S batteries. In this study, we investigated the electrocatalytic activity of two-dimensional ferromagnetic Fe3GaTe2 and Ni-doped Fe3GaTe2 in Li-S batteries using first-principles calculations. Our findings indicate that these materials exhibit optimal binding strengths (ranging from 1.03 to 1.45 eV) with long-chain LiPSs, effectively preventing their dissolution into the electrolyte. Furthermore, we demonstrate remarkable catalytic activity during the sulfur redox reaction (SRR), with the ΔG of only 0.54 eV for Ni-doped Fe3GaTe2. The reduced energy barrier induced by Fe3GaTe2 and Ni-doped Fe3GaTe2 significantly accelerates the charge/discharge kinetics of Li-S batteries. Furthermore, the Ni-doped Fe3GaTe2 demonstrates an increase in binding energy, alongside a decrease in Gibbs free energy in the rate-determining step and activation energy barrier, collectively enhancing its catalytic performance. We conducted an in-depth analysis from the perspectives of magnetic moment and p-band theory. This theoretical work contributes to a better understanding of the application of ferromagnetic materials in the Li-S battery domain, paving the way for advanced high-efficiency energy storage solutions.
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