First-principles study of NaxTiO2 with trigonal bipyramid structures: an insight into sodium-ion battery anode applications

文献情報

出版日 2019-03-27
DOI 10.1039/C9CP00267G
インパクトファクター 3.676
著者

Chol-Jun Yu, Kum-Chol Ri, Jing-Song Kim, Song-Nam Hong


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要旨

Developing efficient anode materials with low electrode voltage, high specific capacity and superior rate capability is urgently required on the road to commercially viable sodium-ion batteries (SIBs). Aiming at finding a new SIB anode material, we investigate the electrochemical properties of NaxTiO2 compounds with unprecedented penta-oxygen-coordinated trigonal bipyramid (TB) structures by using first-principles calculations. Identifying the four different TB phases, we perform the optimization of their crystal structures and calculate their energetics such as sodium binding energy, formation energy, electrode potential and activation energy for Na ion migration. The computations reveal that the TB-I phase is the best choice among the four TB phases for a SIB anode material due to a relatively low volume change of under 4% upon Na insertion, low electrode voltage under 1.0 V with a possibility of realizing the highest specific capacity of ∼335 mA h g−1 from full sodiation at x = 1, and reasonably low activation barriers under 0.35 eV at the Na content from x = 0.125 to x = 0.5. Through the analysis of electronic density of states and charge density difference upon sodiation, we find that the NaxTiO2 compounds in TB phases change from electron insulating to electron conducting materials due to the electron transfer from Na atoms to Ti ions, offering the Ti4+/Ti3+ redox couple for SIB operation.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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