Modeling of Two-Dimensional Anode Materials (Ge–Si)O2 for Alkali Metal (Li,Na,K, Rb,Cs) Incorporation Batteries for Clean Energy-Saving

• Fatemeh Mollaamin ^[1]
  1. [1] Kastamonu University

     Kastamonu University

     Turquía

     
• Localización: Afinidad: Revista de química teórica y aplicada, ISSN 0001-9704, Vol. 82, Nº. 606, 2025, págs. 471-481
• Idioma: varios idiomas
• Títulos paralelos:
  • Modelització de materials anodics bidimensionals (Ge–Si)O2 per a bateries d’incorporació de metalls alcalins (Li, Na, K, Rb, Cs) per a una energia neta i eficiente
  • Modelado de materiales anodicos bidimensionales (Ge–Si)O2 para baterías de incorporación de metales alcalinos (Li, Na, K, Rb, Cs) para energía limpia y ahorro energético
• Enlaces
  • Texto completo
• Resumen
  • español

    Se estudiaron los metales alcalinos rubidio y cesio mediante dopaje en baterías de iones de litio, sodio o potasio. Se llevó a cabo un amplio estudio sobre la captura de hidrógeno por LiRb(Ge–Si)O2, LiCs(Ge–Si)O2, NaRb(Ge–Si)O2, NaCs(Ge–Si)O2, KRb(Ge–Si)O2 y KCs(Ge–Si)O2, utilizando cálculos de teoría del funcional de la densidad (DFT) al nivel de teoría Coulomb-attenuating method–Becke, 3-parameter, Lee-Yang-Parr con corrección por dispersión (CAM–B3LYP–D3/6–311+G (d,p))/6–311+G (d,p).La hipótesis del fenómeno de adsorción de hidrógeno fue investigada mediante las distribuciones de densidad de diferencias de carga (CDD), la densidad total de estados (TDOS) y la función de localización electrónica (ELF) para nanoclusters de LiRb(Ge–Si) O2–2H2, LiCs(Ge–Si)O2–2H2, NaRb(Ge–Si)O2–2H2, NaCs(Ge–Si)O2–2H2, KRb(Ge–Si)O2–2H2 y KCs(Ge–Si)O2–2H2.Las diferencias de densidad de carga para estas estruc-turas se midieron como: ΔQLiRb(Ge–Si)O2 = –0.002, ΔQLiCs(Ge–Si)O2 = –0.005, ΔQNaRb(Ge–Si)O2 = –0.001, ΔQNaCs(Ge–Si)O2 = –0.004, ΔQKRb(Ge–Si)O2 = –0.001, ΔQKCs(Ge–Si)O2 = –0.007 coulomb.Por lo tanto, los resultados mostraron que los clusters KCs(Ge–Si)O2, LiCs(Ge–Si)O2 y NaCs(Ge–Si)O2 podrían tener la mayor intensidad para aceptar electrones debido a la captura de hidrógeno. Una pequeña porción de Rb o Cs que ingrese a la capa Ge–Si para reemplazar los sitios de Li, Na o K podría mejorar la estabilidad estructural del material del electrodo a alta multiplicidad, mejorando así la tasa de retención de capacidad. Entre estos, las baterías de iones de potasio parecen mostrar mayor potencial en términos de dopaje con Rb o Cs.La tendencia general indica que los valores de la banda prohibida (gap) de estos semiconductores iónicos aumentan conforme aumenta su ionicidad, y la incorporación de metales alcalinos en el heterocluster (Ge–Si)O2 podría ser prometedora para ampliar su banda prohibida.

  • català

    Els metalls alcalins de rubidi i cesi s’estudien mitjan-çant dopatge en bateries d’ions de liti, sodi o potassi. Es va dur a terme un ampli estudi sobre la captura d’hidrogen pels compostos LiRb(Ge–Si)O₂, LiCs(Ge–Si)O₂, NaRb(Ge–Si)O₂, NaCs(Ge–Si)O₂, KRb(Ge–Si)O₂ i KCs(Ge–Si)O₂, incloent-hi càlculs de teoria del funcional de la densitat (DFT) al nivell de teoria CAM–B3LYP–D3/6–311+G(d,p) (mètode Coulomb-attenua-ting–Becke, 3 paràmetres, Lee-Yang-Parr amb correcció per dispersió). La hipòtesi sobre el fenomen d’adsorció d’hidrogen es va analitzar mitjançant distribucions de densitat de diferències de densitat de càrrega (CDD), densitat total d’estats (TDOS) i funció de localització electrònica (ELF) per als nanocúmuls: LiRb(Ge–Si)O₂–2H₂, LiCs(Ge–Si)O₂–2H₂, NaRb(Ge–Si)O₂–2H₂, NaCs(Ge–Si)O₂–2H₂, KRb(Ge–Si)O₂–2H₂, KCs(Ge–Si)O₂–2H₂.Les diferències de densitat de càrrega per a aquestes estructures es mesuren com:ΔQ_LiRb(Ge–Si)O₂ = –0,002 C, ΔQ_LiCs(Ge–Si)O₂ = –0,005 C, ΔQ_NaRb(Ge–Si)O₂ = –0,001 C, ΔQ_NaCs(-Ge–Si)O₂ = –0,004 C, ΔQ_KRb(Ge–Si)O₂ = –0,001 C, ΔQ_KCs(Ge–Si)O₂ = –0,007 C.Per tant, els resultats indiquen que els cúmuls KCs(-Ge–Si)O₂, LiCs(Ge–Si)O₂ i NaCs(Ge–Si)O₂ poden tenir la major intensitat per acceptar electrons a causa de la captura d’hidrogen. Una petita quantitat de rubidi o cesi que penetri en la capa de Ge–Si per substituir els llocs de Li, Na o K podria millorar l’estabilitat estructural del material del elèctrode a alta multiplicitat, millorant així la taxa de retenció de capacitat. Entre aquests, les bateries d’ions de potassi semblen mostrar més potencial pel que fa al dopatge amb Rb o Cs. La tendència general és que els valors de la banda prohibida (gap) d’aquests semiconductors iònics augmenten a mesura que la seva ionicitat augmenta, i la incorporació de metalls alcalins en el heterocúmul (Ge–Si)O₂ podria ampliar aquesta banda prohibida.

  • English

    Alkali metals of rubidium and cesium are stud-ied through doping in lithium, sodium or potassium ion batteries. A vast study on H-capture by LiRb (Ge–Si)O2, LiCs(Ge–Si)O2, NaRb(Ge–Si)O2, NaCs(Ge–Si)O2, KRb(Ge–Si)O2, KCs(Ge–Si)O2, was carried out including using density functional theory (DFT) com-putations at the Coulomb-attenuating method–Becke, 3-parameter, Lee-Yang-Parr with Dispersion–corrected (CAM–B3LYP–D3/6–311+G (d,p))/6–311+G (d,p) level of theory. The hypothesis of the hydrogen adsorption phenomenon was figured out by density distributions of charge density differences (CDD), total density of states (TDOS) and electron localization function (ELF) for nanoclusters of “LiRb(Ge–Si)O2–2H2, LiCs(Ge–Si)O2–2H2, NaRb(Ge–Si)O2–2H2, NaCs(Ge–Si)O2–2H2, KRb(Ge–Si)O2–2H2, KCs(Ge–Si)O2–2H2. The differ-ences of charge density for these structures are meas-ured as: ΔQLiRb(Ge–Si)O2 = –0.002 , ΔQLiCs(Ge–Si)O2 = – 0.005, ΔQNaRb(Ge–Si)O2 = –0.001 , ΔQNaCs(Ge–Si)O2 = –0.004 , ΔQKRb(Ge–Si)O2 = –0.001, ΔQKCs(Ge–Si)O2 = –0.007 coulomb. Therefore, the results have shown that the cluster of KCs(Ge–Si)O2, LiCs(Ge–Si)O2 and NaCs(Ge–Si)O2 may have the most tensity for electron accepting ow-ing to hydrogen grabbing. A small portion of Rb or Cs entered the Ge–Si layer to replace the Li, Na or K sites might improve the structural stability of the electrode material at high multiplicity, thereby improving the capacity retention rate. Among these, potassium-ion batteries seem to show the most promise in terms of Rb or Cs doping. The general tendency that the gap values of these ionic semiconductors are increased as their ionicities are increased and alkali metal incorpo-ration into (Ge–Si)O2 heterocluster will be hopeful to broaden its band-gap.