研究背景
在当今能源转型与低碳发展的大背景下，高效的能量存储技术成为了实现碳达峰和碳中和目标的关键保障。随着清洁能源需求的快速增长，加速创新能量存储技术已成为当务之急。锂离子电池（LIBs）、钠离子电池（NIBs）以及钾离子电池（KIBs）作为可再生能源系统中的重要组成部分，其性能的提升对于提高整个系统的效率至关重要。传统的石墨材料虽然具有较高的理论容量，但在实际应用中存在循环寿命短、充放电速率慢等缺点。近年来，通过掺杂改性石墨烯以提高其储锂、储钠及储钾能力的研究取得了显著进展。例如，Ge掺杂石墨烯的理论锂储存容量可达1734 mAh/g，而N掺杂石墨烯在锂、钠、钾离子存储方面也表现出优异的性能。然而，为了进一步提升这些材料的综合性能，探索新型二维材料及其掺杂改性策略显得尤为必要。
成果简介
在这项研究中，研究人员利用第一性原理计算方法，系统地探讨了铜掺杂石墨烯（Cu/N2OG）作为锂离子电池、钠离子电池及钾离子电池负极材料的潜力。研究结果表明，Cu/N2OG不仅具有出色的导电性和快速的离子扩散特性，而且在储钠方面的理论容量达到了惊人的3303.7 mAh/g，远超目前所有已知的钠离子电池负极材料。此外，Cu/N2OG在储锂和储钾方面也表现出色，理论容量分别为1651.8 mAh/g和1263.2 mAh/g。研究人员发现，Cu掺杂引入的结构不对称性显著增加了材料的活性位点，从而提高了其对锂、钠、钾离子的理论比容量。Cu/N2OG在吸附Li、Na、K前后均保持了良好的导电性，并且在离子嵌入过程中展现出极小的晶格变化，这表明其具有优秀的循环稳定性。同时，Li、Na、K的扩散能垒分别为0.373 eV、0.380 eV和0.262 eV，显示出快速的离子传输特性。这些特点共同证明了Cu/N2OG作为高能碱金属离子电池负极材料的巨大潜力。
图文导读
图1 优化后的Cu/N2OG结构的顶视图（a）和侧视图（b）。Cu/N2OG的基本框架由18个碳原子组成的石墨烯结构构成，其中单个Cu原子周围的三个C原子被两个N原子和一个O原子取代。该结构的晶格常数为a = b = 7.334 Å。Cu-N键长为1.858 Å，Cu-O键长为2.142 Å，O-C键长为1.392 Å。平均N-C键长为1.348 Å，平均C-C键长为1.418 Å。Cu原子位于石墨烯平面之上1.277 Å处。
图2 (a) Cu/N2OG上吸附位点的顶视图和金属原子在A侧和B侧的最稳定吸附构型，（b）Li离子在Cu/N2OG上的电荷密度差异，（c）Na离子和（d）K离子在Cu/N2OG上的电荷密度差异。
图3 (a) Cu/N2OG的DOS；(b) Li吸附后Cu/N2OG的DOS；(c) Na吸附后Cu/N2OG的DOS；(d) K吸附后Cu/N2OG的DOS。
图4不同Li/Na/K浓度嵌入Cu/N2OG时的平均开路电压（OCV）。
图5Cu/N2OG与其他近期发现的二维材料的理论比容量对比。结果显示，Cu/N2OG的钠储存容量显著超过其他研究的二维材料，如b-Bi（约2149 mAh/g）、B2S（约1498 mAh/g）等。
小结
通过第一性原理计算，研究人员全面评估了Cu/N2OG作为锂离子电池、钠离子电池及钾离子电池负极材料的性能。研究结果揭示了Cu掺杂引入的结构不对称性显著增加了材料的活性位点，使得Cu/N2OG在储钠、储锂和储钾方面表现出卓越的理论比容量。同时，Cu/N2OG在离子嵌入过程中展现出极小的晶格变化，保证了其优异的循环稳定性。此外，低扩散能垒值进一步证实了其快速的离子传输特性。这些研究成果为未来理论研究和实验制备提供了坚实的理论基础，也为开发高性能碱金属离子电池提供了新的方向。
文献：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.161752
Cu-doped graphene Cu/N2OG: A high-performance alkaline metal ion battery anode with record-theoretical capacity
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