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.

为了进一步探究其吸附性能，选取了异质结的不同区域中最稳定的H_BN1， H_BN2和H₈₄ 3个吸附点位，计算了它们的能带结构（图S4，见本文支持信息）. 可见， 3个结构的能带图中均有能带穿过费米能级，表明它们能够保持其金属性，这对于作为LIBs阳极材料非常有利.

在LIBs中，决定充放电速率快慢的一个关键因素是扩散势垒. 考虑T-BN/T-graphene异质结的结构特点，从上层、中间层和下层3个方面分别考虑其扩散. 如图4（A）所示，由于上层中H_BN1是最稳定的吸附点位，考虑了3条可能的扩散路径. 路径Ⅰ： Li从H_BN1点位经过H_B1点位到邻近的另一个H_BN1点位，路径Ⅱ： Li从H_BN1点位直接到邻近的另一个H_BN1点位，路径Ⅲ： Li从H_BN1点位经过H_N1点位到邻近的另一个H_BN1点位. 如图4（B）所示，由于中间层最稳定的吸附点位是H_BN2，也考虑了3条扩散路径. 路径Ⅳ： Li从H_BN2点位经过H₈₃点位到邻近的另一个H_BN2点位，路径Ⅴ： Li从H_BN2点位直接到邻近的另一个H_BN2点位，路径Ⅵ： Li从H_BN2点位经过H_N2点位到邻近的另一个H_BN2点位. 在下层，由于次稳定点位较少，只考虑了两条路径［图4（C）］，路径Ⅶ： Li从H₈₄点位直接到邻近的另一个H₈₄点位，路径Ⅷ： Li从H₈₄点位经过H₄₄点位到邻近的另一个H₈₄点位.