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The Role of Ion-Polaron Electrostatic Attraction on Zn2+ Migration in α-V2O5 for Zinc Ion Battery: Insights from First-Principles Calculations

极化子 离子 化学物理 吸引力 碱金属 材料科学 静电学 化学 电子 物理 物理化学 语言学 哲学 量子力学 有机化学
作者
Yiming Guo,Dan Wu,Zhuo Sun,Fanghua Ning,Kai Zhu,Xiaoyu Liu,Shigang Lu,Yongyao Xia,Yi Jin
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:16 (6): 1415-1423 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.4c03359
摘要

The migration of Zn2+ ions is significantly more challenging compared to that of Li+ ions within the same crystalline framework, leading to poor rate performance of zinc-ion batteries (ZIBs). Compared to Li+, the slower migration rate of Zn2+ is vaguely attributed to the stronger electrostatic interaction induced by Zn2+. Herein, the rule of how the size of the migration channel and electrostatic interaction affect Zn2+ and Li+ migration in α-V2O5 has been systematically investigated by first-principle calculations. It is found that expanding the layer spacing can facilitate Zn2+ migration. Once the layer spacing surpasses a certain threshold, further expansion does not lead to a continued reduction in the migration barrier. The local structure distortions caused by electron small polarons would lead to a decrease in migration channel size, which should have increased the energy barrier for Li+ and Zn2+ migration. However, interestingly, the electron small polarons decrease the energy barriers, which would be attributed to the ion-polaron electrostatic attraction. The higher activation barriers for the migration of Zn2+ ions compared to those of Li+ ions can be rationalized by the specific ion-polaron electrostatic attraction for Zn2+. Moreover, the comparative strength of the polaron-ion electrostatic attraction for alkali and alkaline earth metal ions is unveiled. Overall, this study provides theoretical insights into the role of ion-polaron electrostatic attraction on ion migration.
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