释放Mg-ion卡特蓄电池的潜力：具有超高储量和能量密度以及快速Mg扩散的Cu 2 C MXene负极

镁离子电池在未来电能存储范畴具有巨大的潜力，这得益于镁金属的资源丰厚性以及二价镁离子高效的储能才能，有望彻底改变大规模固定式使用和便携式设备。MXenes（包含过渡金属碳化物/氮化物/碳氮化物）在二维纳米资料范畴仍被视为新成员，尤其是在其动力存储使用方面。在本作业中，我们采用根据榜首原理的DFT核算，全面评价了2H相铜基MXene（Cu 2 C）单层作为Mg-ion电池极具远景的负极资料的电化学行为。经过核算负内聚能、正声子频率以及AIMD模仿，评价了Cu 2 C单层的稳定性，证实了其在室温下的稳定性和优异的机械强度。模仿结果表明，Mg离子对Cu 2 C单层具有强亲和力，这归因于其金属特性，暗示了杰出的电子导电性；此外，核算出的负吸附能为−1.25 eV，表明其具有有利于潜在电池使用的相互作用。因为兼具高理论比容量（1541.36 mAh/g）和低均匀作业电压（0.50 V）的杰出组合，Cu 2 C单层成为一种极具吸引力的负极资料候选者。这意味着

图文摘要

储能是一种直接的解释，使我们可以贮存并高效使用动力。它减少了对发电机的依靠，并采用了太阳能和风能等可再生动力，使得化石燃料在更清洁、更高效的动力未来中变得过时[1]，[2]。存在许多用于储能的方法和资源，其间可充电电池作为被广泛采用的技能锋芒毕露[3]，[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]。在曩昔的几十年里，因为需要理想且可持续的动力解决方案，以应对与过度耗费化石燃料相关的环境挑战，商场对锂离子电池（LIBs）、镍镉电池、铅酸电池及其他类型的可充电电池产生了巨大的需求[11]，[12]，[13]，[14]，[15]。但是，LIBs因其高成本、低丰度和有限的安全措施而面临挑战。一起，镍镉电池和铅酸电池含有某些有害元素，导致了环境恶化[16]。
LIBs的潜在代替方案包含Na-、K-、Mg-、Ca-、Al-和Zn-离子电池，它们提供了优于LIBs的电化学功能[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。近年来，镁离子电池（MIBs）因其优势特性而成为LIBs的一种极具远景的代替方案。因为与Li存在对角关系，Mg具有许多相似的化学性质，例如简直适当的离子半径、相同的电负性和高电荷密度。此外，与根据Li离子的负极资料比较，Mg离子在负极资料方面表现出共同的特征，如体积容量简直翻倍、还原电位相对较低（−2.37 V vs SHE）以及天然储量丰厚，这使其成为制造高能量密度和低成本电池的理想负极选择[24]。与Li、Na和K负极比较，Mg具有若干优势。首先，Mg对大气影响具有高度抗性，然后保证了长时间稳定性并降低了降解风险。其次，在电堆积过程中，Mg会形成润滑且均匀的堆积层，这能避免针状枝晶的形成和成长——此类枝晶可能会刺穿电池隔阂并导致短路、安全隐患及功能下降[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。因而，Mg作为一种更安全、更经用的电池负极资料锋芒毕露。尽管Mg具有这些优势，但Mg与传统电解质之间仍存在不匹配问题。
许多资料（如3D结构及其他）已被研究用于MIBs的潜在使用。这些研究旨在经过设计具有促进高效离子扩散和稳定电极-电解质界面的摆放结构的资料，来应对能量存储与转化方面的挑战[35], [36], [37], [38], [39], [40]。但是，尽管一些3D资料在循环过程中表现出高比容量和稳健的结构稳定性，但它们可能会遇到诸如低比表面积、动力学缓慢以及镁离子嵌入/脱出过程中的体积改变等缺点，这可能导致重复循环后的容量衰减。这就是为什么研究人员越来越多地转向二维（2D）资料的原因，其极具吸引力的特性——如大比表面积、高孔隙率、高度抗机械变形才能和杰出的化学耐久性——已解锁了从动力到环境的各种使用范畴，并在近年来理所当然地占有了资料科学界的领先地位[41], [42], [43], [44], [45]。在2D资料范畴，由MAX相前驱体合成的过渡金属碳化物/氮化物/碳氮化物统称为MXenes，其特征通式为Mn+1AXn（M代表早期过渡金属，A表明第13族或14族元素，X代表C、N或两者的混合物），已成为2D资料科学的要害。
最近，Ponce-Pérez等人使用榜首性原理核算，构想了一系列新式铜基1T相MXenes，包含Cu 2 N、Cu 2 C和Cu 2 O，旨在用于从金属离子电池和传感器到催化及生物医学使用的广泛范畴[61]。因为铜在集成电路中的广泛使用源于其杰出的电迁移特性，这对于保证电子设备中至关重要的电子流高效流动至关重要，一起其高导电性使其成为高效的集流体，这对电池和超级电容器等储能器材必不可少[62]。原子层堆积（ALD）在固体表面制备大面积且保形薄铜膜的共同才能，突显了其在微电子和催化范畴的通用性，优于许多其他金属。此外，作为石墨烯成长的衬底，铜促进了高质量石墨烯基电极的出产，然后推动了石墨烯技能的开展[61]。受此研究启示，我们引入了另一种铜基MXenes物相，即Cu 2 C，将其表征为2H相，并作为MIBs的阳极资料，这一范畴尚未被探究。研究界强调了2H MXenes在金属离子电池中相对于1T MXenes的潜在优势，这是因为它们具有增强的结构稳定性和离子扩散动力学，其间稳定性有助于提高电池电极的循环功能和长时间耐久性[63]。