二维 BeN3：锂离子电池极具潜力的阳极材料新探索

为解决锂离子电池（LIBs）中锂枝晶生长阻碍实际应用及传统石墨阳极理论容量有限等问题，研究人员用第一原理密度泛函理论（DFT）探索二维 BeN3单层作 LIBs 阳极材料的可行性，发现其结构、动力学和热力学稳定，比容量高，润湿性好，有望用于下一代 LIBs。

　　

研究背景

在全球加速向清洁能源转型的浪潮中，锂离子电池（LIBs）凭借高功率和能量密度、出色的循环稳定性，广泛应用于从移动电子设备到电动汽车等诸多领域，成为现代生活不可或缺的 “能量心脏”。然而，锂枝晶的形成却如同一颗 “定时炸弹”，严重威胁着锂离子电池的实际应用。想象一下，在电池内部，锂枝晶就像肆意生长的 “金属荆棘”，不受控制地蔓延。它们不仅会逐渐消耗电池中的活性材料，还可能像尖锐的针一样刺穿电池的隔膜，导致电池内部短路。这不仅会使电解液分解，阻碍锂离子在充放电过程中的正常扩散，大幅缩短电池的循环寿命，还带来了诸如起火、爆炸等严重的安全隐患，让人们在享受锂离子电池便利的同时，时刻提心吊胆。

与此同时，传统基于石墨的阳极材料理论容量仅为 372 mAhg^-1，这一 “天花板” 严重限制了锂离子电池总能量密度的提升，难以满足人们对电子产品续航更久、电动汽车跑得更远的迫切需求。因此，寻找兼具良好稳定性、高比容量且能有效抑制锂枝晶生长的高性能阳极材料，成为了锂离子电池领域亟待攻克的关键难题，吸引着无数科研人员投身其中。

在这样的背景下，二维（2D）材料因其独特的结构和优异的物理化学性质，如高比表面积、出色的电子特性等，成为了科研人员眼中的 “希望之星”。众多二维材料，像石墨烯、六方氮化硼（h - BN）、过渡金属二硫族化合物（TMDs）等，纷纷被纳入研究范围，接受实验和理论的双重检验，探寻它们作为锂离子电池电极材料的可能性。此前，虽然一些含铍（Be）的材料在电池研究中展现出了一定潜力，比如 Be 掺杂石墨烯表现出超高的锂存储容量，但这些材料在抑制锂枝晶生长方面的研究仍处于空白。

而二维 BeN₃单层材料，凭借其高电子迁移率，在电化学应用方面极具潜力。然而，聚焦于电池电极材料的适用性，BeN₃单层的研究还尚未深入开展。为了填补这一空白，推动锂离子电池技术的进步，研究人员开展了对二维 BeN₃单层作为锂离子电池阳极材料的可行性研究。

研究机构及意义

此次研究由来自未知研究机构的研究人员开展。他们通过深入研究，发现二维 BeN₃单层在结构、动力学和热力学方面都表现出良好的稳定性。其锂原子的最小迁移势垒仅为 0.19 eV，这意味着电池能够实现更快的充放电速率；存储容量更是高达 1868.41 mAhg^-1，为组装高能量密度的锂离子电池带来了新的希望；此外，BeN₃单层的平均电压为 0.427 V ，且对常见电解液具有出色的润湿性，能与电解液高度兼容，这进一步确保了电池的化学稳定性，显著提升了电池的安全性能。这些研究成果为锂离子电池阳极材料的选择提供了新的方向，有望推动下一代锂离子电池的发展，相关论文发表在《Applied Surface Science》上。

研究方法

研究人员主要运用了基于密度泛函理论（DFT）的第一原理计算方法，借助维也纳从头算模拟软件包（VASP）和投影增强波（PAW）赝势进行计算。通过选取 BeN₃晶体的 3×3×1 超胞，研究锂原子在其表面的吸附和扩散行为，以此深入探究 BeN₃单层作为阳极材料的性能。

研究结果

1. BeN₃单层的结构和电子性质：优化后的 BeN₃单层呈平面结构，其晶胞由两个六元环相互连接而成，其中一个环包含两个 Be 原子和四个 N 原子，另一个环则完全由六个 N 原子组成。晶格常数 a = b = 5.14 ?，N - N 键长为 1.36 ?，Be - N 键长为 1.61 ? 。
2. 热稳定性：通过分子动力学模拟验证了 BeN₃单层的热稳定性，表明其在一定条件下结构能够保持稳定，为作为阳极材料提供了基础保障。
3. 锂吸附和扩散特性：研究发现 BeN₃单层结构中的空位对锂离子具有稳定的吸附作用，且吸附能为负，这对确保锂离子电池的稳定性至关重要。同时，Li 原子在 BeN₃单层上的扩散能垒为 0.19 eV，较低的扩散能垒有利于实现快速的充放电过程。
4. 关键性能指标：计算得出 BeN₃单层的开路电压和比容量等关键指标，其比容量高达 1868.41 mAhg^-1 ，远超传统石墨阳极材料，展现出巨大的应用潜力。
5. 润湿性：BeN₃单层对常见电解液具有良好的润湿性，这为锂离子的沉积和剥离提供了更好的初始界面条件，有助于提升电池性能。

研究结论与讨论

综合各项研究结果，二维 BeN₃单层在作为锂离子电池阳极材料方面展现出诸多优势。其结构稳定、动力学和热力学性能良好，能够有效抑制锂枝晶生长的潜在特性，加之高比容量、低扩散能垒和优异的润湿性，使其成为下一代锂离子电池阳极材料的有力候选者。这一研究成果不仅为锂离子电池领域提供了新的材料选择，也为后续相关研究开辟了新的思路。未来，有望在此基础上进一步优化材料性能，推动锂离子电池技术的革新，满足日益增长的能源需求，为实现清洁能源的广泛应用提供有力支持。