卤素封装B16N16纳米团簇作为锂离子电池负极材料的DFT研究：高电压与稳定吸附的突破

为解决锂离子电池负极材料电压低、吸附稳定性差的问题，研究人员通过密度泛函理论（DFT）研究了卤素（F?/Cl?/Br?）封装B16N16纳米团簇的电化学性能。结果表明，Br?@B16N16在六边形中心（η6）吸附Li+时电压高达4.09?V，显著提升电池性能，为高能量密度电极设计提供新思路。

　　

随着能源危机加剧和可再生能源快速发展，高效储能系统需求激增。锂离子电池因其高能量密度和环保特性成为研究热点，但电极材料的电化学活性与稳定性仍是瓶颈。传统碳基材料（如石墨烯、碳纳米管）虽广泛应用，但其容量和电压提升空间有限。硼氮（B₁₆N₁₆）纳米团簇因结构与碳相似且具有更优的热稳定性和宽禁带特性，成为潜在替代材料。然而，如何通过结构修饰进一步提升其性能尚待探索。

陕西省自然科学基金支持的研究团队通过密度泛函理论（DFT）系统评估了卤素封装B₁₆N₁₆作为锂离子电池负极的可行性。研究发现，具有T_d对称性的交替异构体是最稳定构型，而卤素封装可显著增强团簇电负性，使Li⁺吸附电压提升至4.09?V（Br^?@B₁₆N₁₆）。该成果发表于《Computational and Theoretical Chemistry》，为设计高电压电极材料提供了理论依据。

关键技术方法
研究采用HF、B3LYP和M062X泛函结合6-31G(d)基组优化B₁₆N₁₆异构体结构，通过分子静电势（MEP）分析预测Li⁺/Li吸附位点，并计算吸附能与电池电压。

研究结果

1. B₁₆N₁₆的稳定构型：T_d对称性异构体能量最低，无虚频，确定为最稳定结构。
2. Li⁺吸附特性：η6（六边形中心）位点吸附能最优，电压达1.28?V。
3. 卤素封装效应：F^?、Cl^?、Br^?封装使团簇电负性增强，Br^?@B₁₆N₁₆在η6位点电压提升至4.09?V，吸附能增幅显著。

结论与意义
该研究证实卤素封装可有效调控B₁₆N₁₆的电子结构，突破传统碳基材料的电压限制。Br^?封装策略为开发高能量密度锂离子电池负极提供了新方向，其理论预测方法也可拓展至其他纳米团簇体系研究。