VS2/硼烯异质结构作为钠离子电池负极材料的理论筛选与性能优化

针对钠离子电池（SIBs）负极材料存在的结构降解和动力学缓慢等问题，研究人员通过理论计算构建了VS2/硼烯（VS2/B）异质结构。该材料展现出0.68 V的低开路电压、638 mA h/g的高储钠容量及0.035 eV的超低扩散势垒，兼具优异金属性和结构稳定性，为高性能SIBs开发提供了新思路。

　　

全球能源危机与电动汽车的快速发展，对高效储能技术提出了迫切需求。锂离子电池（LIBs）虽占据主导地位，但锂资源的稀缺性和石墨负极的局限性（如低倍率性能和有限储锂空间）制约其发展。钠离子电池（SIBs）因钠资源丰富且与LIBs电化学特性相似成为理想替代，但钠离子半径较大导致电极材料体积膨胀和动力学缓慢等问题。二维材料如过渡金属二硫化物（TMDs）和硼烯（borophene）因其高比表面积和独特电子结构备受关注，但单一材料往往存在导电性差或化学稳定性不足等缺陷。

燕山大学的研究团队通过第一性原理计算，设计了一种新型VS₂/硼烯异质结构（VS₂/B），并系统评估其作为SIBs负极材料的潜力。研究发现，硼烯层不仅提升了VS₂的金属性（保持Na⁺嵌入/脱出过程中的导电性），还通过协同作用增强了结构稳定性。该材料表现出0.68 V的低平均开路电压（OCV）、638 mA h/g的储钠容量（远超纯VS₂的232.91 mA h/g）以及0.035 eV的极低扩散势垒（为目前报道的最低值之一），这些特性显著提升了SIBs的倍率性能和循环寿命。相关成果发表于《Journal of Energy Storage》。

关键技术方法
研究采用维也纳从头算模拟软件包（VASP）进行密度泛函理论（DFT）计算，使用投影缀加波（PAW）赝势和GGA-PBE泛函处理电子交换关联能。几何优化以力收敛阈值<0.001 eV/?和能量收敛标准<10^?5 eV为准，平面波截断能设为550 eV。通过差分电荷密度和Bader电荷分析揭示了Na⁺与异质结构的电荷转移机制，并计算了扩散路径能垒。

研究结果

1. 结构特性：VS₂/B异质结构由六方相VS₂（S-V-S夹层）和褶皱硼烯层组成，晶格失配率仅为3.2%，界面结合能?1.18 eV表明稳定性优异。
2. 电子性能：态密度（DOS）显示异质结构在费米能级附近存在连续电子态，Na⁺吸附后仍保持金属性，确保高导电性。
3. 吸附与扩散：Na⁺在表面、层间和底部的吸附能分别为?1.82 eV、?2.06 eV和?1.18 eV，层间吸附最稳定；扩散势垒（0.035 eV）远低于纯VS₂（0.085 eV），表明离子迁移速率显著提升。
4. 力学性能：弹性常数计算证实异质结构刚度增强，体积膨胀率仅4.7%，优于传统石墨负极（~10%）。

结论与意义
该研究通过理论设计证实VS₂/B异质结构是一种极具潜力的SIBs负极材料，其高容量、低电压和超快离子扩散特性解决了现有材料的核心瓶颈。硼烯与VS₂的协同效应不仅克服了单一材料的缺陷（如硼烯的不稳定性），还通过界面电荷重分布优化了电化学性能。这一成果为二维异质结构在储能领域的应用提供了新范式，并为后续实验合成与器件开发奠定了理论基础。