Theoretical Research of Two-dimensional Semiconductor R57-BN as Anode Material of Sodium-ion Battery

doi:10.7503/cjcu20240043

Abstract

Abstract:

As promising alternatives to lithium-ion batteries（LIBs）， sodium-ion batteries（SIBs） have garnered significant interest owing to the abundant resources， low cost， and similar storage mechanism with LIBs. However， the lack of suitable anode materials is a major bottleneck of SIBs. Two-dimensional（2D） materials are promising anode materials for batteries due to their large surface area and short diffusion paths. In this paper， a pentagonal and heptagonal 2D semiconductor structure R57-BN composed of B and N atom was predicted， and the electrochemical properties of R57-BN as anode material of SIBs were studied based on first-principles calculations. 2D R57-BN shows great stability in dynamic and thermodynamic aspects. The computation results reveal that Na atom can be adsorbed on R57-BN without clustering， and the adsorbed energy of Na-ion on the R57-BN is 1.55 eV. Even at low intercalated Na concentration， the Na adsorbed R57-BN system demonstrates metallic characteristics， showing good electronic conductivity. The diffusion barrier of Na diffusion on the surface of R57-BN is as low as 0.55 eV. Meanwhile， R57-BN has high specific capacity（662.40 mA·h/g） and suitable average open circuit voltage（V_OC， 0.50 V）. Based on the above results， R57-BN can serve as a potential anode material for SIBs. The present research can provide a good theoretical basis and thus conduce to guiding the developing of good Na storage materials， and also supply strong background for experimental researches.

Key words: First-principle calculation, Two-dimensional material, Electrode material, Metal-ion battery

CLC Number:

O641

TrendMD:

WANG Wenchun, MA Tianci, LIU Chunsheng. Theoretical Research of Two-dimensional Semiconductor R57-BN as Anode Material of Sodium-ion Battery[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(6): 20240043.

Figures/Tables 7

References 61

1	Zhao L.， Zhang T.， Li W.， Li T.， Zhang L.， Zhang X.， Wang Z.， Engineering， 2022， 24， 172—183
2	Khossossi N.， Banerjee A.， Essaoudi I.， Ainane A.， Jena P.， Ahuja R.， J. Power Sources， 2021， 485， 229318
3	Du J.， Li Q.， Chai J.， Jiang L.， Zhang Q.， Han N.， Zhang W.， Tang B.， Dalton Trans.， 2022， 51（25）， 9584—9590
4	Chang H.， Wu Y. R.， Han X.， Yi T. F.， Energy Mater.， 2021， 1（3）， 100003
5	Roy K.， Banerjee A.， Ogale S.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2022， 14（18）， 20326—20348
6	Yang Q.， Li H.， Feng C.， Ma Q.， Zhang L.， Wang R.， Liu J.， Zhang S.， Zhou T.， Guo Z.， Zhang C.， Nanoscale， 2022， 14（15）， 5814—5823
7	Shamim S. U. D.， Hossain M. K.， Hasan S. M.， Piya A. A.， Rahman M. S.， Hossain M. A.， Ahmed F.， Appl. Surf. Sci.， 2022， 579， 152147
8	Sheng X. R.， Zhang Z. Z.， Ding T. J.， Liao J. Y.， Zhou X. S.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（5）， 20220724
	盛心茹，张壮壮，丁唐婧，廖家英，周小四. 高等学校化学学报， 2023， 44（5）， 20220724
9	Liang M.， Ma L.， Chen B.， Liu E.， Shi C.， He C.， Zhao N.， Energy Stor. Mater.， 2022， 47， 591—601
10	Olsson E.， Yu J.， Zhang H.， Cheng H.， Cai Q.， Adv. Energy Mater.， 2022， 12（25）， 2200662
11	Zou R. F.， Ye X. J.， Zheng X. H.， Jia R.， Liu C. S.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2023， 25（42）， 28814—28823
12	Zhang C.， Pan H.， Sun L.， Xu F.， Ouyang Y.， Rosei F.， Energy Stor. Mater.， 2021， 38， 354—378
13	Yang C. Y.， Yang C. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（5）， 20220728
	杨翠云，杨成浩. 高等学校化学学报， 2023， 44（5）， 20220728
14	Yu Y. X.， Appl. Surf. Sci.， 2021， 546， 149062
15	Xie Q.， Cheng G.， Xue T.， Huang L.， Chen S.， Sun Y.， Sun M.， Wang H.， Yu L.， Mater. Today Energy， 2022， 24， 100934
16	Khossossi N.， Banerjee A.， Essaoudi I.， Ainane A.， Jena P.， Ahuja R.， J. Power Sources， 2021， 485， 229318
17	Doeff M. M.， Ma Y.， Visco S. J.， Jonghe L. C. D.， J. Electrochem. Soc.， 1993， 140（12）， L169
18	Qiao S.， Zhou Q.， Ma M.， Liu H. K.， Dou S. X.， Chong S.， ACS Namo， 2023， 17（12）， 11220—11252
19	Xiao Q.， Song Q.， Zheng K.， Zheng L.， Zhu Y.， Chen Z.， Nano Energy， 2022， 98， 107326
20	Wu Y.， Yu Y.， Energy Stor. Mater.， 2019， 16， 323—343
21	Wu Z.， Qi J.， Wang W.， Zeng Z.， He Q.， J. Mater. Chem. A， 2021， 9（35）， 18793—18817
22	Yoo E. J.， Kim J.， Hosono E.， Zhou H. S.， Kudo T.， Honma I.， Nano Lett.， 2008， 8（8）， 2277—2282
23	Zhao S.， Kang W.， Xue J.， J. Mater. Chem. A， 2014， 2（44）， 19046—19052
24	Mortazavi M.， Wang C.， Deng J.， Shenoy V. B.， Medhekar N. V.， J. Power Sources， 2014， 268， 279—286
25	Li T. K.， Ye X. J.， Zheng X. H.， Jia R.， Liu C. S.， ACS Appl. Nano Mater.， 2023， 6（14）， 13188—13195
26	Xiao B.， Li Y.， Yu X.， Cheng J.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2016， 8（51）， 35342—35352
27	Liang P.， Cao Y.， Tai B.， Zhang L.， Shu H.， Li F.， Chao D.， Du X.， J. Alloys Compd.， 2017， 704， 152—159
28	Ye X. J.， Xu J.， Guo Y. D.， Liu C. S.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2021， 23（7）， 4386—4393
29	Zhang T.， Ma Y.， Huang B.， Dai Y.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2019， 11（6）， 6104—6110
30	Kou C.， Tian Y.， Zhang M.， Zurek E.， Qu X.， Wang X.， Yin K.， Yan Y.， Gao L.， Lu M.， 2D Mater.， 2020， 7（2）， 025047
31	Segall M. D.， Lindan P. J. D.， Probert M. J.， Pickard C. J.， Hasnip P. J.， Clark S. J.， Payne M. C.， J. Phys. Condens. Matter， 2002， 14（11）， 2717
32	Perdew J. P.， Burke K.， Ernzerhof M.， Phys. Rev. Lett.， 1997， 77， 3865—3868
33	Grimme S.， Antony J.， Ehrlich S.， Krieg H.， J. Chem. Phys.， 2010， 132（15）， 154104
34	Govind N.， Petersen M.， Fitzgerald G.， King⁃Smith D.， Andzelm J.， Comput. Mater. Sci.， 2003， 28（2）， 250—258
35	Martyna G. J.， Klein M. L.， Tuckerman M.， J. Chem. Phys.， 1992， 97（4）， 2635—2643
36	Kilic M. E.， Rad S. E.， Ipek S.， Jahangirov S.， Phys. Rev. Mater.， 2022， 6（6）， 064007
37	Mishra P.， Singh D.， Sonvane Y.， Ahuja R.， Energy Fuels， 2020， 4（5）， 2363—2369
38	Qi J.， Wang S.， Wang J.， Umezawa N.， Biatov V. A.， Hosono H.， J. Phys. Chem. Lett.， 2021， 12（20）， 4823—4832
39	Kilic M. E.， Lee K. R.， Nanoscale， 2021， 13（20）， 9303—9314
40	Li X. D.， Cheng X. L.， Chem. Phys. Lett.， 2018， 694， 102—106
41	He C.， Sun L.， Zhang C.， Peng X.， Zhang K.， Zhong J.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2012， 14（31）， 10967—10971
42	Cahangirov S.， Topsakal M.， Aktürk E.， Sahin H.， Ciraci S.， Phys. Rev. Lett.， 2009， 102（23）， 236804
43	Tornatzky H.， Gillen R.， Uchiyama H.， Maultzsch J.， Phys. Rev. B， 2019， 99（14）， 144309
44	Born M.， Math. Proc. Cambridge Philos. Soc.， 1940， 36（2）， 160—172
45	Bruzzone S.， Fiori G.， Appl. Phys. Lett.， 2011， 99（22）， 222108—222111
46	Radisavljevic B.， Radenovic A.， Brivio J.， Giacometti V.， Kis A.， Nat. Nanotechnol.， 2011， 6（3）， 147—150
47	Novoselov K. S.， Geim A. K.， Morozov S. V.， Jiang D.， Zhang Y.， Dubonos S. V.， Grigorieva I. V.， Firsov A. A.， Science， 2004， 306（5696）， 666—669
48	Qiao J.， Kong X.， Hu Z. X.， Yang F.， Ji W.， Nat. Commun.， 2014， 5（1）， 4475
49	Averill F. W.， Phys. Rev. B， 1972， 6（10）， 3637
50	Deb J.， Ahuja R.， Sarkar U.， ACS Appl. Nano Mater.， 2022， 5（8）， 10572—10582
51	Ling F.， Liu X.， Li L.， Zhou X.， Tang X.， Li Y.， Jing C.， Wang Y.， Xiang G.， Jiang S.， Appl. Surf. Sci.， 2022， 573， 151550
52	Zhang X.， Hu J.， Cheng Y.， Yang H. Y.， Yao Y.， Yang S. A.， Nanoscale， 2016， 8（33）， 15340—15347
53	Ye X. J.， Zhu G. L.， Meng L.， Guo Y. D.， Liu C. S.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2021， 23（21）， 12371—12375
54	Samad A.， Shafique A.， Shin Y. H.， Nanotechnology， 2017， 28（17）， 175401
55	Zhang X.， Yu Z.， Wang S. S.， Guan S.， Yang H. Y.， Yao Y.， Yang S. A.， J. Mater. Chem. A， 2016， 4（39）， 15224—15231
56	Hu J.， Liu Y.， Liu N.， Li J.， Ouyang C.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2020， 22（6）， 3281—3289
57	Jiang H. R.， Shyy W.， Liu M.， Wei L.， Wu M. C.， Zhao T. S.， J. Mater. Chem. A， 2017， 5（2）， 672—679
58	Zhao S.， Kang W.， Xue J.， J. Mater. Chem. A， 2014， 2（44）， 19046—19052
59	Rajput K.， Kumar V.， Thomas S.， Zaeem M. A.， Roy D. R.， 2D Mater.， 2021， 8（3）， 035015
60	Khossossi N.， Banerjee A.， Benhouria Y.， Essaoudi I.， Ainane A.， Ahuja R.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2019， 21（33）， 18328—18337
61	Bo T.， Liu P. F.， Xu J.， Zhang J.， Chen Y.， Eriksson O.， Wang F.， Wang B. T.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2018， 20（34）， 22168—22178

Direction	Carrier type	m^*（m_e）	C_2D/（N·m^‒1）	E₁/eV	μ_2D/（cm²·V^‒1·s^‒1）
x	Electron	0.43	214.16	1.45	1208.41
	Hole	0.04	203.32	2.01	3842.63
y	Electron	0.02	213.45	1.87	4827.62
	Hole	0.06	211.76	1.93	3472.50

Direction	Carrier type	m^*（m_e）	C_2D/（N·m^‒1）	E₁/eV	μ_2D/（cm²·V^‒1·s^‒1）
x	Electron	0.43	214.16	1.45	1208.41
	Hole	0.04	203.32	2.01	3842.63
y	Electron	0.02	213.45	1.87	4827.62
	Hole	0.06	211.76	1.93	3472.50

[1]	DONG Bangda, ZHAI Yunyun, LIU Haiqing, HUANG Zhenpeng, LI Zuguang, LI Lei. Fabrication of MoS₂ Nanosheets Functionalized PAN Lithium Metal Battery Separator and Its Inhibition of Lithium Dendrite [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(1): 20230325.
[2]	MENG Zhicheng, LU Yong, YAN Zhenhua, CHEN Jun. Preparation of Disodium Hydroquinone as Cathode Material for Sodium-ion Batteries [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(8): 20230158.
[3]	ZHANG Yichao, ZHAO Fulai, WANG Yu, WANG Yaling, SHEN Yongtao, FENG Yiyu, FENG Wei. Experimental Optimization and Theoretical Simulation of High Performance Field-effect Transistors Based on Multilayer Tungsten Diselenide [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220113.
[4]	HOU Congcong, WANG Huiying, LI Tingting, ZHANG Zhiming, CHANG Chunrui, AN Libao. Preparation and Electrochemical Properties of N-CNTs/NiCo-LDH Composite [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(10): 20220351.
[5]	ZOU Junyan, ZHANG Yanyan, CHEN Shi, SHAO Huaiyu, TANG Yuxin. Recent Development on Surface-interface Chemistry of All-solid-state Lithium Batteries [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(4): 1005.
[6]	WANG Wei, LU Xiangchao, ZHOU Lijun, LU Yizhen, CAO Yang. Design， Construction and Performance Research of Functional Devices Based on Two-dimensional Piezoelectric Materials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 595.
[7]	DENG Yaqian, WU Zhitan, LV Wei, TAO Ying, YANG Quanhong. Gelation of Two⁃dimensional Materials for Energy Storage Applications [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 380.
[8]	XIN Weiwen, WEN Liping. Two-dimensional Materials for Osmotic Energy Conversion [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 445.
[9]	SHI Jiangwei, MENG Nannan, GUO Yamei, YU Yifu, ZHANG Bin. Recent Advances of Two-dimensional Materials for Electrocatalytic Hydrogen Evolution [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 492.
[10]	DONG Qizheng, ZHAI Jin. Application of Biomimetic Nanofluidic Channel Based on Two-dimensional Materials in Energy Conversion [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 432.
[11]	CHEN Minghua, LI Hongwu, FAN He, LI Yu, LIU Weiduo, XIA Xinhui, CHEN Qingguo. Research Progress of Two-dimensional Transition Metal Dichalcogenides in Supercapacitors [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 539.
[12]	XIE Chen, CHEN Na, YANG Yanbing, YUAN Quan. Recent Progress of Aptamer Functionalized Two-dimensional Materials Field Effect Transistor Sensors [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(11): 3406.
[13]	ZHANG Xin, ZHAO Fulai, WANG Yu, LIANG Xuejing, FENG Yiyu, FENG Wei. Preparation and Electrical Properties of Germanium Telluride Field Effect Transistor [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(9): 2032.
[14]	HUANG Wenjuan, HOU Huayi, CHEN Xiangbai, ZHAI Tianyou. Synthesis of InSe Nanoflakes with Near-infrared Photoresponse Grown by Chemical Vapor Deposition ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(4): 682.
[15]	LIU Ben,ZHANG Xingying,CHEN Shaoyun,HU Chenglong. Preparation and Electrochemical Energy Storage Performance of One Dimensional Orderly Polyaniline Nanowires Array^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(3): 498.