WSSe/硅烯异质结构中锂插层行为的理论研究及其在锂离子电池负极中的应用

本研究针对锂离子电池(LIBs)负极材料面临的机械降解和低Li+扩散性问题，通过密度泛函理论(DFT)系统探究了WSSe/硅烯异质结构的锂存储机制。发现锂原子优先插层于vdW间隙而非表面吸附，扩散能垒低至0.34 eV，体积膨胀率仅0.86%，为高稳定性电极设计提供了新思路。

　　

随着全球能源结构转型加速，锂离子电池(LIBs)作为可再生能源存储的核心组件，其性能提升面临关键瓶颈：传统石墨负极理论容量有限(372 mAh/g)，而高容量硅基材料又存在充放电过程中300%体积膨胀导致的电极粉化问题。二维材料因其独特的层状结构和优异力学性能成为研究热点，其中硅烯(单层硅)虽具有高达4200 mAh/g的理论容量，但纯硅烯电极仍面临Li⁺扩散能垒高、循环稳定性差等挑战。与此同时，过渡金属二硫属化物(TMDs)如WS₂、MoSe₂等因其层间范德华(vdW)间隙可作为天然离子通道而备受关注，但单一TMDs材料导电性不足。

针对这一交叉科学难题，研究人员创新性地构建了WSSe/硅烯Janus型异质结构体系。通过第一性原理计算发现，该异质界面形成过程放热，表明结构自发稳定性。锂原子优先占据层间插层位点，结合能比表面吸附低0.82 eV。更引人注目的是，通过爬坡弹性带(NEB)方法计算的锂离子迁移路径显示，最低扩散能垒仅0.34 eV，远低于纯硅烯的0.6 eV。电化学性能预测表明，在Li_xWSSe/Si体系(x=0.5-1.5)中，开路电压(OCV)波动范围仅0.15V，且最大体积膨胀控制在0.86%，显著优于商业石墨负极(10%-13%)。这些发现为开发"高容量-高稳定性"复合电极提供了理论依据，论文发表于《Surfaces and Interfaces》。

研究采用量子力学计算软件QUANTUM ESPRESSO进行密度泛函理论(DFT)模拟，交换关联泛函选用GGA-PBE并引入Grimme-D2范德华修正。通过构建3×3超胞模型，计算了Li在不同吸附位点(H、Top-A、Top-B)的结合能。扩散能垒通过NEB方法获取，OCV通过平均嵌锂电压公式估算，结构稳定性通过形成能和应力-应变分析验证。

Li吸附于Janus和硅烯单层
计算表明Li在WSSe表面空心位点结合能最强(-2.71 eV)，而硅烯表面结合能较弱(-1.89 eV)。异质结构中层间位点结合能(-3.53 eV)显著优于单层吸附，证实vdW间隙的"捕获效应"。

结论
该工作揭示二维Janus异质结构通过界面工程协同提升锂存储性能的机制：WSSe提供导电网络和离子通道，硅烯贡献高容量特性。0.34 eV的低扩散能垒和亚1%的体积膨胀率，使其兼具快速充放电能力和循环稳定性，为下一代LIBs负极材料设计指明方向。

讨论
相比传统MoS₂/石墨烯体系，WSSe/硅烯的Janus不对称结构产生内置电场，进一步促进Li⁺迁移。作者Gabriel Borelli Cintra等指出，后续研究可聚焦硒硫比例调控对电子态密度的影响。该成果获得巴西FAPES、瑞典VR等基金支持，体现国际合作的科研价值。