【摘 要】
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电化学储能装置因其高效率和优异的储能能力而成为最具潜力的储能系统之一,其中锂离子电池（LIBs）由于具有重量轻、使用寿命长、能量密度高、循环稳定性好等优点,已被应用于便携式电子设备、电动汽车、国家电网等新兴领域。同时锌离子电池（ZIBs）因其丰度高、成本低、理论容量高(5854 m Ah·cm-3)和氧化还原电位低（相对于标准氢电极为-0.76 V）而受到广泛关注。MXenes由于优异的金属导电性
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电化学储能装置因其高效率和优异的储能能力而成为最具潜力的储能系统之一,其中锂离子电池（LIBs）由于具有重量轻、使用寿命长、能量密度高、循环稳定性好等优点,已被应用于便携式电子设备、电动汽车、国家电网等新兴领域。同时锌离子电池（ZIBs）因其丰度高、成本低、理论容量高(5854 m Ah·cm-3)和氧化还原电位低（相对于标准氢电极为-0.76 V）而受到广泛关注。MXenes由于优异的金属导电性、高亲水表面以及独特的二维结构等特性,在电化学储能领域表现出良好的应用前景。在MXenes家族中,Vn+1Cn（n=1,2,3）被认为是电极材料有前途的候选材料之一,对于该体系进行储能性能的研究具有一定的科学价值。本文通过第一性原理计算首先对Vn+1Cn（n=1,2,3）单层和V2N单层的结构特性和电子结构进行研究,其次分析了Li原子在Vn+1Cn（n=1,2,3）表面的吸附和输运性能,通过Bader电荷分析确定Li在Vn+1Cn（n=1,2,3）表面吸附特性,并且分析当表面端基存在对Vn+1Cn（n=1,2,3）储Li性能的影响。最后构建稳定的功能化V2C单层和V2N单层的初始结构,分析Zn原子在其二者表面的吸附和输运性能。并对Zn原子在体系表面的多层吸附、体系的理论容量和开路电压进行计算,分析V2C和V2N对Zn原子的存储机制。具体研究内容如下:1.通过对Vn+1Al Cn相和V2Al N相的力学性能计算,理论上确定可以通过选择性蚀刻Al层的方法获得Vn+1Cn（n=1,2,3）单层和V2N单层。Vn+1Cn（n=1,2,3）单层和V2N单层费米能级附近的态密度主要贡献于V-3d轨道,均表现出类金属特性。2.系统地研究了Li原子在Vn+1Cn（n=1,2,3）单层和Vn+1CnT2（n=1,2,3;T=O,F,OH）单层表面的吸附和扩散行为。Vn+1Cn单层的锂理论吸附容量高达1412.39m Ah·g-1（V2C）、909.62 m Ah·g-1（V3C2）和670.82 m Ah·g-1（V4C3）,通过对比了Li原子在Vn+1Cn（n=1,2,3）单层和Vn+1CnT2（n=1,2,3;T=O,F,OH）单层上的吸附行为,我们发现T端的存在会对Li在Vn+1Cn（n=1,2,3）单层表面的吸附性能进行调节。3.建立了Zn原子在V2X和V2XO2（X=C,N）单层表面吸附构型,通过计算证实Zn原子可以键合到V2X和V2XO2的表面,并且研究发现V2X和V2XO2具有高存储容量、低扩散势垒和合适的工作电压,此外V2NO2单层可以提供更高的理论容量(2175.55 m Ah·g-1)、更小的扩散势垒（0.12 e V）和更低的OCV（0.51 V）,是很好的ZIBs电极材料。
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