高国翔, 熊鑫, 刘春生, 叶小娟

高等学校化学学报 2024, 45 (12): 20240371-. DOI:10.7503/cjcu20240371

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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.

考虑到T-BN/T-graphene异质结的结构对称性，以及为了更好地讨论其吸附性能，将异质结分为 4层：（1） T-BN单层的上方、（2）异质结中间层并靠近T-BN单层一侧、（3）异质结中间层并靠近 T-graphene单层一侧和（4） T-graphene单层的下方. 如图S3（见本文支持信息）所示，第一层共有8个可能的吸附点位，可分为B四元环（H_B1）、 N四元环（H_N1）和B-N八元环（H_BN1）的上方； B—B键（B_B1）、 B—N键（B_B-N1）和N—N键（B_N1）的上方； B原子（T_B1）和N原子（T_N1）的上方. 第二层更靠近T-BN单层，类似于第一层，有8个可能的吸附点位（H_B2， H_N2， H_BN2， B_B2， B_B-N2， B_N2， T_B2和T_N2）. 第三层更靠近T-graphene单层，共有5个可能的吸附点位，可分为C八元环（H₈₃）和C四元环（H₄₃）的上方；四元环C—C键（B₄₃）和剩余八元环C—C键（B₈₃）的上方； C原子（T₃）的上方. 第四层类似于第三层，共有5个可能的吸附点位（H₈₄， H₄₄， B₈₄， B₄₄和T₄）.

式中：

ρ_{H e t e r o j u n c t i o n}

和

ρ_{M + H e t e r o j u n c t i o n}

（e/nm3）分别为Li吸附前后的T-BN/T-graphene异质结的总电荷密度；

ρ_{M}

（e/nm3）为Li的总电荷密度. 图3（A）~（C）分别展示了Li吸附在T-BN/T-graphene异质结上的H_BN2， H_BN1和H₈₄ 3个吸附点位的差分电荷密度图（图中黄色部分代表电荷耗尽，蓝色部分代表电荷积累）. H_BN1和H₈₄两个吸附点位情况非常相似，电荷耗尽区主要集中在Li正上方，电荷积累区主要位于Li和 T-BN/T-graphene异质结之间的中间区域. H_BN2点位在中间层，电荷积累区主要位于Li和T-BN/ T-graphene异质结之间的上下区域，耗尽区位于Li同高度的剩余区域以及T-BN/T-graphene异质结对应的上下区域. 这3个吸附点位均显示出Li与T-BN/T-graphene异质结之间有明显的电荷转移现象. 此外，根据Hirshfeld电荷分析，每个Li在H_BN1和H₈₄点位转移的电子分别为0.35和0.40 e. 有趣的是，可能是由于吸附在中间层的原因，导致每个Li在H_BN2点位转移的电子最少，仅为0.16 e.