Thermodynamic Insights into Polymorphism-Driven Lithium-Ion Storage in Monoelemental 2D Materials.

锂(药物) 离子 化学物理 储能 化学 分子动力学
作者
Arnab Kabiraj,Aninda J. Bhattacharyya,Santanu Mahapatra
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:12 (4): 1220-1227 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.0c03642
摘要

Monoelemental two-dimensional materials (borophene, silicene, etc.) are exciting candidates for electrodes in lithium-ion batteries because of their ultralight molar mass. However, these materials' lithium-ion binding mechanism can be complex as the inherited polymorphism may induce phase changes during the charge-discharge cycles. Here, we combine genetic-algorithm-based bottom-up and stochastic top-down structure searching techniques to conduct thermodynamic scrutiny of the lithiated compounds of 2D allotropes of four elements: B, Al, Si, and P. Our first-principles-based high-throughput computations unveil polymorphism-driven lithium-ion binding process and other nonidealities (e.g., bond cleavage, adsorbent phase change, and electroplating), which lacks mention in earlier works. While monolayer B (2479 mAh/g), Al (993 mAh/g), and Si (954 mAh/g) have been demonstrated here as excellent candidates for Li-ion storage, P falls short of the expectation. Our well-designed computational framework, which always searches for lithiated structures at global minima, provides convincing thermodynamical insights and realistic reversible specific-capacity values. This will expectedly open up future experimental efforts to design monoelemental two-dimensional material-based anodes with specific polymorphic structures.
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