对锂离子电池以外先进储能系统日益增长的需求，由于钠和钾的资源丰富且成本低廉，引发了人们对钠离子和钾离子电池的浓厚兴趣。然而，如何找到同时具备高容量、快速离子扩散和强结构稳定性的负极材料仍是一大挑战。本文研究了MoScP2Se6单层材料对Na+和K+采用第一性原理密度泛函理论计算系统研究了碱金属离子电池。多阴离子跨链桥硫族化物框架为碱金属离子传输提供了本征结构稳定性和宽阔的扩散通道。300 K下的从头算分子动力学模拟与声子色散分析证实了优异的热力学和动力学稳定性。电子结构计算揭示了由Mo 4d和Se 4p态主导的本征金属性，确保了高效电子传输。理论比容量达到713 mAh g−1(Na+)和687 mAh g−1(K+其性能超越了许多已报道的二维阳极材料。此外，钠离子迁移势垒仅为0.18-0.22 eV+钾离子迁移势垒低至0.11-0.14 eV+表明该材料具有快速的离子扩散特性和优异的倍率性能。这些研究结果突显了MoScP2Se6作为下一代碱金属离子电池高倍率阳极材料的巨大潜力。
图形摘要
引言
能源的生产或从自然资源中获取能量，始终是人类发展进程中持续探索的领域。在当今时代，确保清洁可持续的能源供应已成为重大科技挑战[1]。全球蓬勃增长的能源需求，促使人们寻求可持续解决方案以开发可再生能源[[2], [3], [4]]。储能系统（ESSs）对于捕获过剩可再生能源并在发电不足时释放能量具有关键作用[5]。电网储能和可再生能源设施亟需低成本、高能量密度的电池技术。氢能储存[6,7]与电池储能[[8], [9], [10]]是目前可行的储能系统（ESS）选项。可充电锂离子电池（LIBs）因其在智能手机、笔记本电脑至电动汽车等设备中卓越的储能能力而主导现有市场。然而LIBs成本高昂且存在安全隐患[11]，加之全球锂资源供应有限，可能严重制约其长期应用。这一现实促使学界转向基于储量丰富、成本低廉且环境友好元素的替代方案研究[12]。 钠离子电池（SIBs）和钾离子电池（KIBs）已成为替代锂离子电池的主要候选者，因为钠和钾资源丰富、成本低廉、具备快速充电能力，并能提供优异的存储容量[[13], [14], [15], [16]]。然而这些电池系统的成功取决于能否找到最佳电极材料[17]。理想的锂离子电池、钠离子电池或钾离子电池负极材料必须具有以下优异电化学特性：对Li+、Na+和K的高吸附能及低扩散势垒+其优势在于可实现快速离子传输与快速充电、具有高理论容量以及长循环寿命[[18], [19], [20], [21]]。 2004年通过石墨机械剥离法成功分离出石墨烯[22,23]，这标志着二维材料在储能应用研究中的一个转折点。基于石墨烯的锂离子电池电极材料性能表现[18]，引发了人们对其他二维材料的广泛关注，包括过渡金属二硫属化物（TMDs）[[24], [25], [26]]、黑磷[27,28]以及其他几种层状材料。这些材料具有可调控的电子特性和有利的结构特征。其原子级薄层形态有利于离子快速扩散，而较大的比表面积则为离子存储提供了丰富的活性位点[[29], [30], [31], [32]]。在该材料家族中，过渡金属三硫代磷酸盐MPX3（M = Co、Mn、Fe、Ni；Ch = S、Se）这类材料因其成本低廉且易于获取而备受关注。这些化合物由二价金属阳离子（M2+）与[P2Ch6]4-阴离子通过范德华力[[33], [34], [35], [36]]形成层状堆叠结构。 近期研究凸显了M型化合物卓越的电化学潜力。例如，Ni基材料在钠离子电池(SIBs)中通过转化反应生成金属Ni纳米颗粒和硫代磷酸钠[37]，可在1 A g<sup>-1</sup>电流密度下实现621 mAh g<sup>-1</sup>的可逆容量并稳定循环190次。在类似条件下，Fe基保持540 mAh g<sup>-1</sup>的比容量经过250次循环后[38]。锡(Sn)设定了更高的标准：与石墨烯复合的剥离态锡(Sn)纳米片(SPS/G)在厚度约10纳米时其可逆容量达到1230毫安时每克(mAh g⁻¹)(测试条件为50 for 190 cycles in SIBs, enabled by conversion reactions that generate metallic Ni nanoparticles and sodium phosphosulfides [37]. Under similar conditions, FePS retains 540 mAh g after 250 cycles [38]. SnPS sets an even higher benchmark: ∼10 nm exfoliated SnPS nanosheets combined with graphene (SPS/G) reach 1230 mAh g at 50 226226−1−1226−1226226−1mAg−1在15 A g−1电流密度下保持200 mAh g−1的可逆容量%与Na3V2(PO4)3正极匹配的全电池在2 A g−1电流密度下循环1000次后仍能保持76%的容量4)3 cathodes, they deliver 90 mAh gF阴极的放电容量达到470 mAh g<sup>-1</sup>。30 mA g360 mAh g)150 mA g[39]。M家族其他成员（包括MnPSe和FePSe已成功合成并系统考察了其电化学与传感特性，进一步证实了这类层状材料的结构可靠性与功能多样性[40]。这些研究为深入探索M型化合物的潜力及揭示其内在机制奠定了基础。型化合物及其潜在作用机制的深入研究奠定了基础。X family, including MnPSe and FePSe, have been synthesized and examined for their electrochemical and sensing properties, further confirming the structural reliability and functional versatility of this class of layered materials [40]. These studies paved the way for further exploration of the potential of MPX-type compounds and for identifying the underlying mechanism.−1−1−132243−1−1−1−122633226 本研究采用密度泛函理论（DFT）计算探究MoScP2Se6作为一种混合金属类似物在钠/钾离子电池（SIBs/KIBs）中的阳极性能。该研究旨在为理解磷硫族化合物骨架中双阳离子配位对离子存储行为和电荷传输现象的作用机制提供理论基础。我们的DFT计算结果表明，MoScP2Se6在热力学上稳定，具有本征金属性（有利于电荷传输），并表现出碱金属离子吸附能和低扩散势垒。本研究首次对MoScP2Se6作为钠离子电池（SIBs）和钾离子电池（KIBs）双功能负极材料进行了全面研究，突显了混合金属磷硫族化合物在下一代高性能储能系统中的潜力。
