二维C5 N3 材料在锂硫电池中的锚定性能与电场调控效应研究

为解决锂硫电池（LSBs）中多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应和Li2 S分解动力学迟缓问题，研究人员通过第一性原理计算和CI-NEB方法，系统研究了新型二维材料C5 N3 的锚定性能。结果表明，C5 N3 对高阶LiPSs（1.554-1.952 eV）具有适中吸附能，可有效抑制其溶解；同时能将Li2 S2 →Li2 S转化能垒降至0.914 eV，并通过电场调控进一步优化反应路径。该研究为LSBs的实用化提供了创新锚定材料设计思路。

　　

在能源结构低碳转型的背景下，锂硫电池（LSBs）因其高达2600 Wh/kg的理论能量密度和硫正极的低成本特性，被视为下一代储能技术的明星选手。然而，其商业化进程长期受困于两大"拦路虎"：一是多硫化锂（LiPSs）在电解液中的溶解导致的穿梭效应，二是Li₂
S分解动力学迟缓引发的电极钝化。尽管二维材料锚定策略被证明能缓解这些问题，但现有材料如石墨烯衍生物仍存在导电性不足或吸附能力有限等缺陷。

针对这一挑战，中国的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表创新研究，首次将新型二维碳氮化物C₅
N₃
引入LSBs领域。通过密度泛函理论（DFT）计算结合CI-NEB方法，系统评估了该材料的结构稳定性、电子特性及其与LiPSs的相互作用机制。研究发现，这种由四元环、五元环和六元环构成的特殊结构，不仅能有效锚定高阶LiPSs，还能显著加速低阶LiPSs的催化转化，更通过电场调控实现了反应能垒的主动优化。

关键技术方法
研究采用SIESTA软件包进行第一性原理计算，使用PBE-GGA泛函处理电子交换关联作用，通过范德华力（vdW）修正优化吸附模型。通过能带结构和态密度分析电子特性，采用CI-NEB方法计算LiPSs分解路径能垒，并引入外电场（±0.5 V/?）研究电场调控效应。所有计算均采用Kleinman-Bylander赝势处理电子-离子相互作用。

研究结果

1. 结构与电子特性
   C₅
   N₃
   单层呈现7.79×6.05 ?的矩形晶格，六元环中C-C键长1.436 ?，C-N键长1.363 ?。能带结构显示其为间接带隙半导体（1.56 eV），态密度分析表明N原子p轨道在费米面附近贡献显著，赋予材料良好导电性。分子动力学模拟证实其在350 K下结构稳定。

2. 吸附性能
   对Li₂
   S₈
   至Li₂
   S的系列LiPSs吸附研究表明：高阶LiPSs（Li₂
   S₄
   -Li₂
   S₈
   ）吸附能介于1.554-1.952 eV，处于既能抑制溶解又不会过度束缚的理想范围。差分电荷密度显示电荷主要从C₅
   N₃
   的N原子向LiPSs转移，其中vdW作用占比达35.4%-48.7%。

3. 催化转化机制
   Li₂
   S₂
   →Li₂
   S的限速步骤能垒仅0.914 eV，远低于石墨烯体系。Li原子在C₅
   N₃
   表面扩散能垒为1.289 eV，表明良好的离子传输性能。特别值得注意的是，正向电场（+0.5 V/?）可使限速步骤能垒进一步降低12.3%，而反向电场则增加8.7%。

结论与意义
该研究首次揭示二维C₅
N₃
作为LSBs锚定材料的三重优势：适中的吸附能有效抑制穿梭效应、较低的分解能垒加速LiPSs转化、电场可调性实现反应动力学优化。理论计算的Li₂
S分解能垒（1.24 eV）和Li扩散性能均优于传统碳基材料，其独特的电子结构为设计"吸附-催化"双功能材料提供了新思路。这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的工作，不仅为LSBs实用化提供了新材料候选，更通过电场调控策略开辟了界面反应精准调控的新途径，对发展高能量密度储能系统具有重要指导意义。