西安工大新能源研究院最新《AFM》：杂原子掺杂石墨烯钙离子电池赝电容型负极材料

赝电容型电极材料能够同时兼具电池型材料高的能量密度和双电层电容器电极材料高的功率密度的双重优点。其合理设计不仅在单价离子电池（例如Li⁺，Na⁺， K⁺）中具有重要意义，特别是在多价离子电池中（例如Mg²⁺， Zn²⁺, Ca²⁺，Al³⁺）中更是能够凸显其优点。主要是因为多价离子高的电荷密度和价态导致其在电池型材料中高的静电作用，这会使其体相扩散能垒过高，传输动力学差，且在多价离子不断插入/脱插的过程中造成电极材料膨胀和差的循环稳定性，而赝电容型材料是一种表面诱发储电机制，只要能够合理设计赝电容型材料，以上问题便迎刃而解，荡然无存。但是，当前的赝电容理论主要沿用的仍然是Conway教授等提出的赝电容理论。尽管此理论应用广泛，但是不能够从原子电子层面对赝电容型材料的储电机制、结构设计等给出明确系统的指导。有鉴于次，西安工业大学新能源科学与技术研究院潘洪革教授团队联合澳洲新南威尔士大学碳材料中心夏振海教授通过量子理论计算和实验验证双向互动的策略，系统的解决了以上问题，为赝电容型电极材料设计提供了实验证实的系统的理论指导。此成果以题目为“Highly Pseudocapacitive Storage Design Principles of Heteroatom-Doped Graphene Anode in Calcium-Ion Batteries“”的论文发表在功能材料领域权威期刊Advanced Functional Materials (IF=19)上。

本论文的主要贡献有4个方面：

1） 通过理论和实验相互证实首次提出了一种全新的赝电容理论，命名为“能级填充理论”。基于此理论，从数学原理出发提出了精确的数学方程，在原子电子层面对指导赝电容型电极材料的设计；

2） 基于此理论，提出了一种新颖的本征描述符φ去指导单掺杂以及双掺杂石墨烯钙离子电池赝电容型负极材料的设计，并得到了实验的证实；

3） 系统地阐明了提出的描述符φ的底层物理本质，即一种定量捕获微观层面复杂电子相互作用的一种媒介；

4） 基于提出的能级填充理论和描述符的指导，提出了杂原子掺杂石墨烯钙离子电池负极的两步法设计策略并预言了优秀负极的设计和性能将超越当前最好的钙离子电池负极。