结果简介具有MAX相及其类似物（一般AMN+1XN）的层状碳化物已成为储能和转换应用的有效材料，而储能的一个热门领域是使用MAX作为Al离子插层电极。 最近欧阳斌，王琳，佛罗里达州立大学，王景阳，加州大学，等共计计425个三元MAX铝离子电池电极。
计算方法：
作者使用维也纳从头模拟封装（VASP）和投影增强波（PAW）方法进行DFT计算，并将电子步长的收敛准则设置为10 6 EV，将离子步长的收敛准则设置为002 ev a−1。作者使用Meta-GGA中的R2Scan方法进行结构松弛，并使用RVV10函数处理范德华相互作用。 对于所有DFT计算，作者构建了一个4 4 1超单元，以避免周期性结构之间的非物理相互作用。 此外，作者使用CI-NEB方法计算了AL扩散的活化势垒。
结果与讨论
图1 各种MAX相的晶体结构
如图1所示，MAX相具有P63 MMC空间群的六方晶格结构，当n等于1时，它们以最简单的形式结晶，如M2ax（211）。 当 N > 1 时，A 层中 2D [M2X] 切片的数量增加，构成更厚的 Mn+1xN 层，而 A 层保持不变。 此外，当 n 等于 2 （312） 和 3 （413） 时，A 和 Mn+1xN 层的相对位置发生变化并产生两种不同的 MAX 多晶型，用 和 表示。 如图 1 所示，对于 312 和 413 相，以及多晶型物都具有相同的 mn+1xn 主链，然而，在晶型物中，元素 A 位于与相邻 M6x 八面体边缘共享的棱柱形位置，而在多态性中，A 和相邻的 M6x 八面体的棱柱位置由面共享。
图2 高吞吐计算工作流
如图 2 所示，对于每个 n 值，作者考虑了 17 种金属 （m） 和 5 种阴离子 （x），因此每种模型成分都有 85 种不同的成分。 对于 n = 2,3 的结构，包括两种类型的层状堆积 （ 和 ），仅在 Al 离子的相对位置上有所不同：相中的 Al 离子位于第二个相邻金属位点的顶部，而相中的 Al 阳离子位于最近的阴离子位点的顶部。 这导致 425 种 MAX 化合物被用于 DFT 计算，作者将 Ehull 100 Mevatom 1 设置为化合物的合成边界，以合理评估材料的稳定性。
图3 MAX化合物的稳定性图
如图 3 所示，对于 ALM3X2 和 ALM4X3，堆叠之间的 EHULL 值较低。 如三角形所示，所有实验合成的含ALmax相都被正确地归类为稳定相（ehull 100 mev原子1），表明计算结果有能力成为更新的材料。 除了实验报告的材料外，还有 28 种新的 MAX 相可用。
图4 相与相之间的ehull差异
如图 4 所示，ehull， ehull， 0 的分量表示有堆叠的倾向，而 ehull， ehull， 0 的分量有堆叠的倾向。 大多数组件是堆叠的，而 ALM3X2 和 ALM4X3 中分别只有 21 个和 22 个组件具有堆叠。
图5 稳定MAX化合物的电化学性能
如图5a所示，电压高度依赖于金属和阴离子种类，而不是堆叠顺序。 此外，与普通碳化物相比，氮化物表现出更高的电压，这归因于氮化物和碳化物在键共价性方面的相似性。 图 5b 显示了 44 种稳定 MAX 材料的能量密度（范围为 40。99 到 38687 Wh kg1），其中 18 种 MAX 材料的能量密度高于 165 Wh kg1。
图6 铝在MAX中的迁移途径
作者发现，镀铝态和脱铝态之间的扩散途径不同，这可以通过图6a，b中的箭头和图6c，d中所示的最小能量路径来说明。 更具体地说，脱铝状态下的AL迁移是通过锯齿形路径，该路径穿过未占据的棱柱形位点，该位点被-相的多晶型占据。 因此，鞍点是由两个棱柱形位点之间的四种金属形成的空正方形的中心，并且该离子迁移将有两个鞍点。 如图 6c 所示，在扩散路径中，未占用的棱柱形位点将用作局部最小值。 此外，对于镀铝状态，Al离子将通过Al离子和相邻空位之间的直线扩散，如图6d所示。 因此，沿扩散路径不会有局部最小值。
图7：单个空位扩散的活化势垒能
如图7所示，镀铝态和脱铝态将决定AL离子扩散势垒的上限和下限，一般来说，镀铝态比脱铝态具有更高的活化能。 但是，在 44 个系统（alta2b、alta2c、alzr4n3、alw2b、alzr4p3 和 alhf3n2）中也有 6 个例外。 此外，作者发现 18 种 MAX 物质在镀铝和脱铝状态下都具有 <2 EV Atom 1 的潜在势垒。 作者在图7中绘制了虚线，将这些材料与其他具有高扩散势垒的材料分开。
图8 能量密度和平均电压与其他报道的铝离子电池的比较
图8总结了已报道的铝离子电极的电化学性能，可分为有机电极、碳基电极和复合电极。 此外，如图8所示，碳电极的纳米结构具有很宽的电压范围，这也意味着纳米结构的最大值应遵循相同的路径来延长电压窗口。
结论与展望作者对 17 种典型过渡金属、5 种阴离子（C、N、B、SI 和 P）、3 种化学计量（n 和 3）和 2 个层状堆叠（和）的组合空间进行了相图计算。 在所有三元MAX材料中，有44种材料具有合理的合成可及性，其中6种具有优异的性能，有望成为高效铝离子电池电极。 凭借相位稳定性和电化学性能（平均电压、理论容量、能量密度和铝扩散势垒），这项工作为基于 MAX 的铝离子电池背后的巨大机会提供了全面的计算评估。
书目信息lin wang et.al computational investigation of max as intercalation host for rechargeable aluminum-ion battery adv. energy mater. 2023
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