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高等学校化学学报
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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
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
摘要   （294） HTML （12） PDF（pc） （6210KB）（61）  

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.



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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
正文中引用本图/表的段落
经过计算， Li在T-BN/T-graphene异质结中的扩散势垒曲线和扩散路径如图5和图S5（见本文支持信息）所示， 上层扩散路径中路径Ⅰ的扩散势垒最低（0.44 eV）， 而路径Ⅱ和Ⅲ扩散势垒分别为0.47和0.61 eV. 在中间层的扩散路径中， 路径Ⅳ表现出最低的扩散势垒（0.30 eV）. 而路径Ⅴ和Ⅵ的扩散势垒分别为0.31和0.51 eV. 在下层的扩散路径中， 路径Ⅶ和Ⅷ的扩散势垒分别为0.39和0.31 eV. 综上所述， T-BN/T-graphene异质结表现出各向异性的扩散特性. 其扩散势垒低于T-graphene［22］， T-BN［24］和MgB2［30］， 表明Li在T-BN/T-graphene异质结上的扩散具有改善作用， 并且证明了其具有优良的扩散特性.
* Represents a heterojunction. ...
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... 基于密度泛函理论的第一性原理计算， 所有的研究均采用CASTEP模块来完成［25］. 计算采用超软赝势［26］处理电子-离子相互作用， 并将截止能量设为800 eV. 为了描述电子交换相关效应，采用广义 梯度近似（GGA）中的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函， 并采用Tkachenko and Scheffler（TS）提出的多体色散校正来修正范德华（vdW）相互作用［27］. 在结构优化过程中， 第一布里渊区的k点间距设置为0.002 nm?1［28］， 能量收敛标准、 最大应力、 最大压力和最大原子位移分别设为10?7 eV/atom， 5×10?2 eV/nm， 5×10?3 GPa和5×10?5 nm. 使用Climbing Image Nudged Elastic Band（CI-NEB）［29］方法来确定Li在T-BN/T-graphene异质结上的扩散势垒和过渡态. ...
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... 基于密度泛函理论的第一性原理计算， 所有的研究均采用CASTEP模块来完成［25］. 计算采用超软赝势［26］处理电子-离子相互作用， 并将截止能量设为800 eV. 为了描述电子交换相关效应，采用广义 梯度近似（GGA）中的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函， 并采用Tkachenko and Scheffler（TS）提出的多体色散校正来修正范德华（vdW）相互作用［27］. 在结构优化过程中， 第一布里渊区的k点间距设置为0.002 nm?1［28］， 能量收敛标准、 最大应力、 最大压力和最大原子位移分别设为10?7 eV/atom， 5×10?2 eV/nm， 5×10?3 GPa和5×10?5 nm. 使用Climbing Image Nudged Elastic Band（CI-NEB）［29］方法来确定Li在T-BN/T-graphene异质结上的扩散势垒和过渡态. ...
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... 基于密度泛函理论的第一性原理计算， 所有的研究均采用CASTEP模块来完成［25］. 计算采用超软赝势［26］处理电子-离子相互作用， 并将截止能量设为800 eV. 为了描述电子交换相关效应，采用广义 梯度近似（GGA）中的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函， 并采用Tkachenko and Scheffler（TS）提出的多体色散校正来修正范德华（vdW）相互作用［27］. 在结构优化过程中， 第一布里渊区的k点间距设置为0.002 nm?1［28］， 能量收敛标准、 最大应力、 最大压力和最大原子位移分别设为10?7 eV/atom， 5×10?2 eV/nm， 5×10?3 GPa和5×10?5 nm. 使用Climbing Image Nudged Elastic Band（CI-NEB）［29］方法来确定Li在T-BN/T-graphene异质结上的扩散势垒和过渡态. ...
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... 基于密度泛函理论的第一性原理计算， 所有的研究均采用CASTEP模块来完成［25］. 计算采用超软赝势［26］处理电子-离子相互作用， 并将截止能量设为800 eV. 为了描述电子交换相关效应，采用广义 梯度近似（GGA）中的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函， 并采用Tkachenko and Scheffler（TS）提出的多体色散校正来修正范德华（vdW）相互作用［27］. 在结构优化过程中， 第一布里渊区的k点间距设置为0.002 nm?1［28］， 能量收敛标准、 最大应力、 最大压力和最大原子位移分别设为10?7 eV/atom， 5×10?2 eV/nm， 5×10?3 GPa和5×10?5 nm. 使用Climbing Image Nudged Elastic Band（CI-NEB）［29］方法来确定Li在T-BN/T-graphene异质结上的扩散势垒和过渡态. ...
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... 基于密度泛函理论的第一性原理计算， 所有的研究均采用CASTEP模块来完成［25］. 计算采用超软赝势［26］处理电子-离子相互作用， 并将截止能量设为800 eV. 为了描述电子交换相关效应，采用广义 梯度近似（GGA）中的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函， 并采用Tkachenko and Scheffler（TS）提出的多体色散校正来修正范德华（vdW）相互作用［27］. 在结构优化过程中， 第一布里渊区的k点间距设置为0.002 nm?1［28］， 能量收敛标准、 最大应力、 最大压力和最大原子位移分别设为10?7 eV/atom， 5×10?2 eV/nm， 5×10?3 GPa和5×10?5 nm. 使用Climbing Image Nudged Elastic Band（CI-NEB）［29］方法来确定Li在T-BN/T-graphene异质结上的扩散势垒和过渡态. ...
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... 经过计算， Li在T-BN/T-graphene异质结中的扩散势垒曲线和扩散路径如图5和图S5（见本文支持信息）所示， 上层扩散路径中路径Ⅰ的扩散势垒最低（0.44 eV）， 而路径Ⅱ和Ⅲ扩散势垒分别为0.47和0.61 eV. 在中间层的扩散路径中， 路径Ⅳ表现出最低的扩散势垒（0.30 eV）. 而路径Ⅴ和Ⅵ的扩散势垒分别为0.31和0.51 eV. 在下层的扩散路径中， 路径Ⅶ和Ⅷ的扩散势垒分别为0.39和0.31 eV. 综上所述， T-BN/T-graphene异质结表现出各向异性的扩散特性. 其扩散势垒低于T-graphene［22］， T-BN［24］和MgB2［30］， 表明Li在T-BN/T-graphene异质结上的扩散具有改善作用， 并且证明了其具有优良的扩散特性. ...

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