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HOP-graphene: A high-capacity anode for Li/Na-ion batteries unveiled by first-principles calculations

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Autor(es):
Martins, Nicolas F. ; Laranjeira, Jose A. S. ; Limab, Kleuton A. L. ; Cabral, Luis A. ; Ribeiro Jr, Luiz A. ; Sambrano, Julio R.
Número total de Autores: 6
Tipo de documento: Artigo Científico
Fonte: Applied Surface Science; v. 710, p. 10-pg., 2025-11-30.
Resumo

The growing demand for efficient energy storage has driven the search for advanced anode materials for lithium-and sodium-ion batteries (LIBs and SIBs). In this context, we report the application of HOP-graphene (a 5-6-8-membered 2D carbon framework) as a high-performance anode material for LIBs and SIBs using density functional theory simulations. Diffusion studies reveal low energy barriers of 0.70 eV for Li and 0.39 eV for Na, indicating superior mobility at room temperature compared to other carbon allotropes, like graphite. Full lithiation and sodiation accommodate 24 Li and 22 Na atoms, respectively, delivering outstanding theoretical capacities of 1338 mAh/g (Li) and 1227 mAh/g (Na). Bader charge analysis and charge density difference maps confirm substantial electron transfer from the alkali metals to the substrate. Average open-circuit voltages of 0.42 V (Li) and 0.33 V (Na) suggest favorable electrochemical performance. HOP-graphene also demonstrates excellent mechanical strength. These findings position HOP-graphene as a promising candidate for next-generation LIB and SIB anodes. (AU)

Processo FAPESP: 20/01144-0 - Propriedades eletrônicas, estruturais dos compostos ABO4 (A = Ba, Ca, Cd, Sr e Pb e M = Mo e W) e modelagem das transformações morfológicas de suas nanopartículas
Beneficiário:José Artigas dos Santos Laranjeira
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Mestrado
Processo FAPESP: 24/19996-3 - Efeitos da Incidência de Laser e Feixe de Elétrons em Materiais Semicondutores: Investigação ab initio
Beneficiário:Luis Antônio Cabral
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
Processo FAPESP: 24/05087-1 - Funcionalização na superfície de Mxenes de carbetos e nitretos para o armazenamento de hidrogênio
Beneficiário:Nicolas Ferreira Martins
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
Processo FAPESP: 22/14576-0 - Simulações de dinâmica molecular de novos materiais bidimensionais
Beneficiário:Nicolas Ferreira Martins
Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Mestrado
Processo FAPESP: 22/03959-6 - Estruturas bidimensionais para armazenamento de energia e sensores de gases: a teoria direcionada a experimentalistas e para a divulgação científica
Beneficiário:Julio Ricardo Sambrano
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
Processo FAPESP: 22/16509-9 - Simulações computacionais de heteroestruturas baseadas em dicalcogenetos metálicos de transição, MXenos e novos alótropos do carbono
Beneficiário:José Artigas dos Santos Laranjeira
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
Processo FAPESP: 13/08293-7 - CECC - Centro de Engenharia e Ciências Computacionais
Beneficiário:Munir Salomao Skaf
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão - CEPIDs