Моделирование методом теории функционала плотности интеркаляции ионов в гексацианоферраты железа и меди

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

В данной работе исследуются гексацианоферраты железа и меди в качестве катода для K- и Mg-ионных аккумуляторов. С помощью моделирования методом функционала плотности найдены наиболее стабильные конфигурации гексацианоферратов железа и меди с интеркалированными ионами, определены потенциалы интеркаляции. Подтверждена экспериментально наблюдавшаяся ранее невозможность обратимой интеркаляции ионов Mg2+ в исследуемые структуры из водных электролитов. Дано объяснение данному эффекту.

About the authors

P. M. Chekushkin

United Institute of High Temperatures, RAS; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Email: chekushkin.pm@phystech.edu
Moscow, Russia; Russia

V. A. Kislenko

United Institute of High Temperatures, RAS

Email: kislenko@ihed.ras.ru
Moscow, Russia

C. A. Kislenko

United Institute of High Temperatures, RAS

Email: kislenko@ihed.ras.ru
Moscow, Russia

References

  1. Wu X., Song K., Zhang X., Hu N., Li L., Li W., Zhang L., Zhang H. Safety Issues in Lithium Ion Batteries: Materials and Cell Design // Front. Energy Res. 2019. V. 7. P. 65.
  2. Schmuch R., Wagner R., Hörpel G., Placke T., Winter M. Performance and Cost of Materials for Lithium-based Rechargeable Automotive Batteries // Nat. Energy. 2018. V. 3. № 4. P. 267.
  3. Zhu W., Li A., Wang Z., Yang J., Xu Y. Metal–Organic Frameworks and Their Derivatives: Designing Principles and Advances toward Advanced Cathode Materials for Alkali Metal Ion Batteries // Small. 2021. V. 17. № 22. P. 2006424.
  4. Wessells C.D., Huggins R.A., Cui Y. Copper Hexacyanoferrate Battery Electrodes with Long Cycle Life and High Power // Nat. Commun. 2011. V. 2. № 1. P. 550.
  5. Wang B., Liu S., Sun W., Tang Y., Pan H., Yan M., Jiang Y. Intercalation Pseudocapacitance Boosting Ultrafast Sodium Storage in Prussian Blue Analogs // ChemSusChem. 2019. V. 12. № 11. P. 2415.
  6. Wang R.Y., Wessells C.D., Huggins R.A., Cui Y. Highly Reversible Open Framework Nanoscale Electrodes for Divalent Ion Batteries // Nano Lett. 2013. V. 13. № 11. P. 5748.
  7. Mizuno Y., Okubo M., Hosono E., Kudo T., Zhou H., Oh-ishi K. Suppressed Activation Energy for Interfacial Charge Transfer of a Prussian Blue Analog Thin Film Electrode with Hydrated Ions (Li+, Na+, and Mg2+) // J. Phys. Chem. C. 2013. V. 117. № 21. P. 10877.
  8. Sun X., Duffort V., Nazar L.F. Prussian Blue Mg–Li Hybrid Batteries // Adv. Sci. 2016. V. 3. № 8. P. 1600044.
  9. Komayko A.I., Ryazantsev S.V., Trussov I.A., Arkharova N.A., Presnov D.E., Levin E.E., Nikitina V.A. The Misconception of Mg2+ Insertion into Prussian Blue Analogue Structures from Aqueous Solution // ChemSusChem. 2021. V. 14. № 6. P. 1574.
  10. Ling Y., He B., Han L., Gong W., Chang C., Zhang Q. Two-electron Redox Chemistry Enables Potassium-free Copper Hexacyanoferrate as High-capacity Cathode for Aqueous Mg-ion Battery // InfoMat. 2024. V. 6. № 6. P. 12549.
  11. Asai M., Takahashi A., Tajima K., Tanaka H., Ishizaki M., Kurihara M., Kawamoto T. Effects of the Variation of Metal Substitution and Electrolyte on the Electrochemical Reaction of Metal Hexacyanoferrates // RSC Adv. 2018. V. 8. № 65. P. 37356.
  12. Gamaethiralalage J.G., Singh K., Sahin S., Yoon J., Elimelech M., Suss M.E., Liang P., Biesheuvel P.M., Zornitta R.L., De Smet L.C.P.M. Recent Advances in Ion Selectivity with Capacitive Deionization // Energy Environ. Sci. 2021. V. 14. № 3. P. 1095.
  13. Ling C., Chen J., Mizuno F. First-principles Study of Alkali and Alkaline Earth Ion Intercalation in Iron Hexacyanoferrate: The Important Role of Ionic Radius // J. Phys. Chem. C. 2013. V. 117. № 41. P. 21158.
  14. Targholi E., Mousavi-Khoshdel S.M., Rahmanifara M., Yahya M.Z.A. Cu- and Fe-Hexacyanoferrate as Cathode Materials for Potassium Ion Battery: A First-principles Study // Chem. Phys. Lett. 2017. V. 687. P. 244.
  15. Jiang P., Shao H., Chen L., Feng J., Liu Z. Ion-selective Copper Hexacyanoferrate with an Open-framework Structure Enables High-voltage Aqueous Mixed-ion Batteries // J. Mater. Chem. A. 2017. V. 5. № 32. P. 16740.
  16. Wang X., Pandey S., Fullarton M., Phillpot S.R. Study of Incorporating Cesium into Copper Hexacyanoferrate by Density Functional Theory Calculations // J. Phys. Chem. C. 2021. V. 125. № 43. P. 24273.
  17. Chen L., Shao H., Zhou X., Liu G., Jiang J., Liu Z. Water-mediated Cation Intercalation of Open-framework Indium Hexacyanoferrate with High Voltage and Fast Kinetics // Nat. Commun. 2016. V. 7. № 1. P. 11982.
  18. Guo X., Wang Z., Deng Z., Li X., Wang B., Chen X., Ong S.P. Water Contributes to Higher Energy Density and Cycling Stability of Prussian Blue Analogue Cathodes for Aqueous Sodium-ion Batteries // Chem. Mater. 2019. V. 31. № 15. P. 5933.
  19. Ojwang D.O., Grins J., Wardecki D., Valvo M., Renman V., Häggström L., Ericsson T., Gustafsson T., Mahmoud A., Hermann R.P., Svensson G. Structure Characterization and Properties of K-containing Copper Hexacyanoferrate // Inorg. Chem. 2016. V. 55. № 12. P. 5924.
  20. Wang X., Ta A.T., Quemerais S., Grandjean A., Zur Loye H.-C., Phillpot S.R. Incorporation of Alkali Ions into Hydrated Copper Hexacyanoferrate by Density Functional Theory Calculations // Chem. Mater. 2024. V. 36. № 14. P. 6731.
  21. Herren F., Fischer P., Ludi A., Haelg W. Neutron Diffraction Study of Prussian Blue, Fe4[Fe(CN)6]3 · xH2O. Location of Water Molecules and Long-range Magnetic Order // Inorg. Chem. 1980. V. 19. № 4. P. 956.
  22. Sharma V.K., Mitra S., Thakur N., Yusuf S.M., Juranyi F., Mukhopadhyay R. Dynamics of Water in Prussian Blue Analogues: Neutron Scattering Study // J. Appl. Phys. 2014. V. 116. № 3. P. 034909.
  23. Kresse G., Joubert D. From Ultrasoft Pseudopotentials to the Projector Augmented-wave Method // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. № 3. P. 1758.
  24. Anisimov V.I., Zaanen J., Andersen O.K. Band Theory and Mott Insulators: Hubbard U instead of Stoner I // Phys. Rev. B. 1991. V. 44. № 3. P. 943.
  25. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. № 18. P. 3865.
  26. Aydinol M.K., Kohan A.F., Ceder G., Cho K., Joannopoulos J. Ab Initio Study of Lithium Intercalation in Metal Oxides and Metal Dichalcogenides // Phys. Rev. B. 1997. V. 56. № 3. P. 1354.
  27. Liu C., Neale Z.G., Cao G. Understanding Electrochemical Potentials of Cathode Materials in Rechargeable Batteries // Mater. Today. 2016. V. 19. № 2. P. 109.
  28. Urban A., Seo D.-H., Ceder G. Computational Understanding of Li-ion Batteries // Npj Comput. Mater. 2016. V. 2. № 1. P. 16002.
  29. Aydinol M.K., Kohan A.F., Ceder G. Ab Initio Calculation of the Intercalation Voltage of Lithium–Transition-metal Oxide Electrodes for Rechargeable Batteries // J. Power Sources. 1997. V. 68. № 2. P. 664.
  30. Julien C., Mauger A., Zaghib K., Groult H. Comparative Issues of Cathode Materials for Li-ion Batteries // Inorganics. 2014. V. 2. № 1. P. 132.
  31. Linstrom P. NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database 69. National Institute of Standards and Technology, 1997.
  32. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 97th ed. / Eds. Haynes W.M., Lide D.R., Bruno T.J. CRC Press, 2016.
  33. Sai Gautam G., Canepa P., Richards W.D., Malik R., Ceder G. Role of Structural H2O in Intercalation Electrodes: The Case of Mg in Nanocrystalline Xerogel-V2O5 // Nano Lett. 2016. V. 16. № 4. P. 2426.
  34. Ozoliņš V., Zhou F., Asta M. Ruthenia-based Electrochemical Supercapacitors: Insights from First-principles Calculations // Acc. Chem. Res. 2013. V. 46. № 5. P. 1084.
  35. Lin H., Zhou F., Liu C.-P., Ozoliņš V. Non-Grotthuss Proton Diffusion Mechanism in Tungsten Oxide Dihydrate from First-principles Calculations // J. Mater. Chem. A. 2014. V. 2. № 31. P. 12280.
  36. Laubach S., Laubach S., Schmidt P.C., Ensling D., Schmid S., Jaegermann W., Thißen A., Nikolowski K., Ehrenberg H. Changes in the Crystal and Electronic Structure of LiCoO2 and LiNiO2 upon Li Intercalation and De-intercalation // Phys. Chem. Chem. Phys. 2009. V. 11. № 17. P. 3278.
  37. Chatenet M., Pollet B.G., Dekel D.R., Dionigi F., Deseure J., Millet P., Braatz R.D., Bazant M.Z., Eikerling M., Staffell I., Balcombe P., Shao-Horn Y., Schäfer H. Water Electrolysis: from Textbook Knowledge to the Latest Scientific Strategies and Industrial Developments // Chem. Soc. Rev. 2022. V. 51. № 11. P. 4583.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».