锂离子电池二维T-BN/T-graphene异质结阳极材料性能的理论研究

doi:10.7503/cjcu20240371

摘要/Abstract

摘要：

通过基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了由二维T-BN和T-graphene组成的异质结(T-BN/ T-graphene)作为锂离子电池(LIBs)阳极材料的综合性能. 计算结果表明, T-BN/T-graphene异质结阳极材料展示了较低的扩散势垒(0.30~0.61 eV)、较大的理论容量(678.5 mA∙h/g)、适当的平均开路电压(1.06 V)和较小的晶格常数变化(0.86%/0.44%). 与单层T-BN和单层T-graphene相比, T-BN/T-graphene异质结在扩散性能方面略有改善, 最低扩散势垒降至0.30 eV, 表明其具有较快的充放电能力.

关键词: 第一性原理计算, 二维材料, 异质结, 锂离子电池

Abstract:

In recent years， with the wide spread application of electronic devices and the popularity of new energy vehicles， lithium-ion batteries（LIBs） attract much of attention due to their high charging/discharging rates and high energy density. Meanwhile， two-dimensional（2D） heterojunctions have shown significant potential in the research of LIBs anode materials due to their high conductivity， low volume expansion， good cycle life and stability， and high specific surface area. Therefore， we investigated the performance of heterojunction composed of 2×2 T-BN and 3×3 T-graphene tilted at 45° as anode materials for LIBs through first-principles calculations based on density functional theory. The band structure of the T-BN/T-graphene heterojunction exhibited metallicity， indicating its good conductivity. The adsorption energy of a single Li ranged from ‒0.18 eV to ‒1.48 eV. As an anode material for LIBs， the T-BN/T-graphene heterojunction also exhibited a lower diffusion barrier（0.30—0.61 eV）， a larger theoretical capacity（678.5 mA∙h/g）， an appropriate average open circuit voltage（1.06 V）， and a smaller lattice constant change（0.86%/0.44%）. Compared with T-BN and T-graphene monolayer， the T-BN/T-graphene heterojunction has slightly improved diffusion behavior of Li， with the lowest diffusion barrier of 0.3 eV， indicating its fast charging/discharging ability. Overall， the T-BN/T-graphene heterojunction is expected to become an effective design approach for high-quality anode materials in LIBs.

Key words: First-principles calculation, Two-dimensional material, Heterojunction, Lithium-ion battery

中图分类号:

O641

TrendMD:

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图/表 10

Fig.1 Primitive cells of T⁃BN(A), T⁃graphene tilted at 0°(B) and T⁃graphene tilted at 45°(C) after optimization

Fig.2 Top and side views(A) and the band structure(B) of the optimized T⁃BN/T⁃graphene heterojunction（A） The red squares， circles and triangles represent stable adsorption sites in the upper， middle and lower layers， respectively；（B） path： Γ（0， 0， 0） → X（0， 0.5， 0） → M（0.5， 0.5， 0） → Γ（0， 0， 0）.

Table 1 Stable adsorption sites and adsorption energy of Li on T-BN/T-graphene heterojunction

Layer	Stable site	$E a d s$ /eV	Layer	Stable site	$E a d s$ /eV	Layer	Stable site	$E a d s$ /eV
1st	H_BN1	-1.05	2nd & 3rd	H_BN2	-1.48	4th	H₈₄	-0.56
	H_B1	-0.76		H_N2	-1.02		H₄₄	-0.33
	H_N1	-0.44		B_N2	-0.99		B₈₄	-0.18
				H₈₃	-1.35

Table 1 Stable adsorption sites and adsorption energy of Li on T-BN/T-graphene heterojunction

Layer	Stable site	$E a d s$ /eV	Layer	Stable site	$E a d s$ /eV	Layer	Stable site	$E a d s$ /eV
1st	H_BN1	-1.05	2nd & 3rd	H_BN2	-1.48	4th	H₈₄	-0.56
	H_B1	-0.76		H_N2	-1.02		H₄₄	-0.33
	H_N1	-0.44		B_N2	-0.99		B₈₄	-0.18
				H₈₃	-1.35

Fig.3 Charge density difference of Li adsorbed at HBN2(A), HBN1(B) and H84(C) sites

Fig.4 Diffusion paths of Li in the upper layer(A), middle layer(B) and lower layer(C) of T⁃BN/T⁃graphene heterojunction

Fig.5 Diffusion barriers corresponding to the diffusion paths of Li in the upper layer(A), middle layer(B) and lower layer(C) of T⁃BN/T⁃graphene

Fig.6 Top and side views of B16N16C36Li8(A), B16N16C36Li12(B) and B16N16C36Li21(C)

Fig.7 Side views of ELF for B16N16C36Li8(A), B16N16C36Li12(B) and B16N16C36Li21(C) configurations

Fig.8 VOC of Li adsorption on T⁃BN/T⁃graphene heterojunction

Table 2 Theoretical calculations of 2D materials as anode materials for LIBs

Material	Diffusion barrier/eV	Theoretical capacity/（mA∙h∙g^-1）	V_OC/V	Ref.
T⁃BN/T⁃graphene^*	0.30—0.61	678.5	1.06	This work
T⁃BN	0.35—0.61	1620	0.479—0.489	［24］
T⁃graphene	0.37	744	0.2	［22］
C₃N/Blue phosphorene^*	0.12	1092	0.11—0.45	［10］
VS₂/Blue phosphorene^*	0.11	1211.34	0.50—1.81	［11］
Janus MoSSe/Graphene^*	0.17	560.59	0.17—0.41	［12］
VS₂	0.22	466	0.93	［16］
Blue phosphorene	0.16	865	—	［17］
Janus MoSSe	0.24	776.5	0.106—0.620	［18］
MgB₂	0.613	1750.9	0.689	［30］
MoS₂/C₃N^*	0.28	742.86	0.17	［31］
C₃N/Graphene^*	0.28	1079	0.13	［32］
β₁₂⁃Borophene/Graphene^*	0.56	907	0.08—1.09	［33］
MoS₂/VS₂^*	0.24	584	0.5—1.8	［34］
Blue phosphorene/Graphene^*	0.13	626.04	0.23	［35］
β₁₂⁃Borophene	0.66	1984	0.61—1.26	［36］
VS₂/Graphene^*	0.03	771	0.65	［37］
Penta⁃graphene/MoS₂^*	0.13	751	0.592	［38］
C₃N/Borophene^*	0.006—0.010	1086.27	0.34	［39］

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