双层GeSiP2材料作为钠离子电池负极的第一性原理研究：高容量与快速扩散动力学

《Journal of Energy Storage》：Computational study of physical properties of perovskite Rb 3Sb 2H 9 hydride material for hydrogen storage applications

本文通过第一性原理计算，系统研究了双层GeSiP2（B-GSP）作为钠离子电池（SIBs）负极材料的可行性。研究结果表明，B-GSP具有优异的能量/热力学稳定性、高理论容量（659.43 mAh/g）、低钠离子迁移势垒（0.14–0.46 eV）和合适平均开路电压（0.48 V），其性能优于传统石墨负极，为高性能SIBs负极材料设计提供了新策略。

　　

Highlight

计算细节

所有计算均基于密度泛函理论（DFT）框架，通过CASTEP代码实现。电子-离子间的交换关联相互作用采用广义梯度近似（GGA）下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函描述。范德华相互作用通过Grimme半经验色散校正（DFT-D2）进行修正。截断能设置为450 eV，k点采样采用Monkhorst-Pack方案。

模型的元素组成与构型

首先，为模拟双层GeSiP₂的几何结构，构建了3×3×1的超胞B-GSP模型。B-GSP的俯视图和侧视图如图1(a)所示。计算得到的B-GSP晶格参数a(b)、结合能（E_bind）、层间距（D）、键长（L）和键角（∠）总结于表1。经过完全几何弛豫后，形成B-GSP堆叠稳定性的每个原子的结合能可通过公式（1）定义。所得结合能表明结构具有良好的稳定性。

结论

总之，通过密度泛函理论计算研究了B-GSP作为SIBs负极材料的结构稳定性、电子行为及可行性。结果表明，B-GSP表现出良好的能量稳定性和热力学稳定性。值得一提的是，双层框架能够显著改善其单层相对较差的电子导电性，且钠原子嵌入可进一步诱导材料从半导体特性向金属丰富性转变。