Studi DFT terhadap Karakteristik Heterostruktur Ti2CO2/MoS2 sebagai Katoda Baterai Ion Aluminium

Abstract

Baterai ion aluminium (AIBs) merupakan alternatif penyimpan energi pasca litium yang menawarkan keunggulan seperti kelimpahan aluminium, biaya yang murah, serta relatif lebih aman. Pengembangan AIBs membutuhkan material katoda yang mampu mengakomodasi spesies Al3+ dan AlCl4?. Dalam penelitian ini dikaji karakteristik heterostruktur Ti2CO2/MoS2 sebagai material katoda AIBs menggunakan density functional theory (DFT). Heterostruktur terbentuk dengan stabil dan memiliki sifat semikonduktor. Analisis charge density difference menunjukkan adanya transfer muatan dari MoS2 menuju Ti2CO2 pada antarmuka. Ditemukan bahwa Al cenderung mengisi situs yang berbeda dibanding mengisi situs di interlayer yang sama, teradsorpsi baik pada permukaan oksigen (energi adsorpsi sebesar -2,19 eV) dan cenderung menjadi donor elektron, sedangkan AlCl4 teradsorpsi lebih baik pada permukaan sulfur (energi adsorpsi sebesar -1,6 eV) dan cenderung menjadi akseptor elektron. Secara elektrokimia, kapasitas spesifik diperoleh sebesar 175 mAh g?¹ dengan tegangan (open circuit voltage) 0,03-0,73 V untuk Al dan kapasitas spesifik 43,7 mAh g?¹ dengan tegangan 1,22-1,6 V untuk AlCl4. Pada mobilitas ion, difusi Al memiliki energi barrier sebesar 0,63 eV dan pada AlCl4 sebesar 0,033 eV.

Aluminium-ion batteries (AIBs) are considered a promising post-lithium energy storage technology due to their abundance, low cost, and more safety. However, their development requires cathode materials capable of accommodating both Al3+ and AlCl4?. This study investigates the Ti2CO2/MoS2 heterostructure as a cathode material for AIBs using DFT. The heterostructure is found structurally stable and exhibits a semiconducting band gap. Charge density difference analysis reveals electron transfer from MoS2 to Ti2CO2 at the interface. It is found that Al tends to insert into different interlayer positions rather than occupying one layer, bind strongly to oxygen surfaces (adsorption energy of -2,19 eV), and tends to be electron donor, while AlCl4 adsorb more favorably on sulfur surfaces (adsorption energy of -1,6 eV) and tends to be electron acceptor. Electrochemical calculations yield a theoretical specific capacity of 175 mAh g?¹ within open circuit voltage 0,03-0,73 V for Al and specific capacity of 43,7 mAh g?¹ within 1,22-1,6 V for AlCl4. Ion mobility shows diffusion barrier of 0,63 eV for Al and 0,033 eV for AlCl4.