二维β-Si3N4单层材料作为钠离子电池负极的从头算研究：高性能储能新突破

为解决钠离子电池（NIBs）负极材料容量低、扩散动力学差等问题，研究人员通过第一性原理计算系统研究了二维β-Si3N4单层的电化学性能。结果表明，该材料具有1910.32 mAh/g超高理论容量、0.05 V低开路电压及0.090 eV超低扩散势垒，且钠吸附后呈现金属性导电，为下一代NIBs开发提供了理想候选材料。

　　

随着全球对可再生能源存储需求的激增，钠离子电池（NIBs）因钠资源丰富、成本低廉被视为锂离子电池（LIBs）的重要替代品。然而，Na⁺较大的离子半径（1.02 ? vs Li⁺的0.76 ?）导致传统负极材料出现容量衰减、循环稳定性差等问题，亟需开发新型高性能电极材料。二维材料因其独特的层状结构和超大比表面积成为研究热点，其中β-Si₃N₄在LIBs中已展现出优异性能，但其在NIBs中的应用潜力尚未明确。为此，SASTRA大学的研究团队通过第一性原理计算，首次系统评估了β-Si₃N₄单层作为NIBs负极的可行性，相关成果发表于《Surfaces and Interfaces》。

研究采用密度泛函理论（DFT）结合GGA-PBE泛函和DFT-D3色散校正，构建3×3×1超胞模型并设置15 ?真空层。通过线性原子轨道组合（LCAO）方法计算电子结构，利用Ab initio分子动力学（AIMD）模拟500K热稳定性，并分析不同钠吸附位点（T_Si、T_N、B_Si-N、H_Si-N）的能量学特性。

几何与结构特性
优化后的β-Si₃N₄单层呈现六方晶系（P-6m2空间群），晶格参数a=b=7.17 ?，Si-N键长1.33 ?。能带结构分析表明其本征带隙为2.5 eV，但钠吸附后费米能级进入导带，转变为金属性导电态。

钠吸附行为
T_N位点（氮原子顶部）吸附能最低（-1.45 eV），为最稳定位点。吸附钠使材料功函数从4.8 eV降至2.3 eV，显著提升电子传导能力。电荷密度差分析显示钠向基底转移0.85 e^-，形成强离子键合。

电化学性能
理论容量高达1910.32 mAh/g，远超石墨（372 mAh/g）。平均开路电压（OCV）仅0.05 V，接近理想负极标准。钠扩散势垒低至0.090 eV，比MoS₂（0.22 eV）降低59%，预示超快充放电能力。

热力学稳定性
AIMD模拟证实钠吸附结构在500K下保持完整，均方根位移（RMSD）波动小于0.2 ?，无结构坍塌或钠团聚现象。

该研究首次从原子尺度揭示了β-Si₃N₄单层作为NIBs负极的三大优势：超高容量源自其多孔二维结构对Na⁺的多点位吸附；金属性导电与超低扩散势垒协同提升倍率性能；优异的热稳定性保障循环寿命。相比现有材料，其综合性能指标突破现有技术瓶颈，为设计下一代高能量密度、快速充电NIBs提供了理论依据。作者V. Shivani和S Sriram特别指出，该材料与现有固态电解质的兼容性（参考Suzuki等研究）将加速其产业化应用。