First-principles Study of Potential Applications of Monolayer GeTe in Lithium/sodium/potassium Ion Batteries

doi:10.7503/cjcu20240148

Abstract

Abstract:

The development of anode materials with fast charge and discharge rates and favorable metal ion storage is of great significance for rechargeable metal ion batteries. In this paper， the first-principle method based on density functional theory（DFT） was used to explore the application prospects of monolayer GeTe with a unique zigzag wrinkled layer structure as an anode material for lithium/sodium/potassium ion batteries. The calculation results show that monolayer GeTe is beneficial for the stable adsorption of lithium/sodium/potassium ions（-0.636， -0.794 and -1.26 eV）， and the strong relationships between metal ion and monolayer GeTe are proved through the electron density difference and partial density of states. Low diffusion barriers of lithium/sodium/potassium ions on monolayer GeTe（1.103， 0.344 and 0.483 eV） and diffusion coefficients calculated by molecular dynamics simulations（3.65×10^-12， 2.385×10^-10 and 9.43×10^-12 cm²/s） indicate its excellent diffusion ability and fast charge and discharge rate during the charge and discharge process. Reasonable open circuit voltage（0.39， 0.64 and 0.25 V） and higher theoretical specific capacities（535.4， 669.2 and 1070.72 mA·h/g） than that of commercial graphite anode materials indicate that monolayer GeTe can be used as a promising anode material for lithium/sodium/potassium ion batteries， and provide inspiration for the rational design of other similar wrinkled layer hexagonal structures in energy conversion and storage devices in the future.

Key words: Metal ion battery, Anode material, GeTe, Density functional theory, First principle

CLC Number:

O641

TrendMD:

CHEN Junjie, ZHANG Ruidan, CHEN Yue. First-principles Study of Potential Applications of Monolayer GeTe in Lithium/sodium/potassium Ion Batteries[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(7): 20240148.

Figures/Tables 11

Table 1 Adsorption energy(Ead), charge transfer(q) and vertical distance(h) of lithium, sodium and potassium ions at different adsorption sites(A, B, C) on monolayer GeTe

Ion	E_ad/eV			q/e			h/nm
Ion	A	B	C	A	B	C	A	B	C
Li⁺	-0.636	-0.611	-0.611	1.05	1.03	1.04	0.3107	0.2519	0.2675
Na⁺	-0.740	-0.793	-0.794	0.44	0.45	0.45	0.3745	0.2912	0.2974
K⁺	-1.260	-0.940	-1.248	0.60	0.58	0.59	0.4120	0.3254	0.3496

Table 2 Energies of HOMO, LUMO and LUMO-HOMO gap(Eg )

System	$E H O M O / e V$	$E L U M O / e V$	$E g / e V$	$Δ E g (%)$
GeTe	-4.83	-3.29	1.54
Li⁺@GeTe	-4.93	-3.67	1.26	-18.2
Na⁺@GeTe	-4.84	-3.78	1.06	-31.2
K⁺@GeTe	-4.79	-3.53	1.26	-18.2

Table 2 Energies of HOMO, LUMO and LUMO-HOMO gap(Eg )

System	$E H O M O / e V$	$E L U M O / e V$	$E g / e V$	$Δ E g (%)$
GeTe	-4.83	-3.29	1.54
Li⁺@GeTe	-4.93	-3.67	1.26	-18.2
Na⁺@GeTe	-4.84	-3.78	1.06	-31.2
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