1. 案例背景

可充电电池作为清洁能源，在现在通信、交通和电子工业中发挥着不可替代的作用。其中锂离子电池因其良好的功率及高倍率性能受到广泛关注，石墨烯在锂离子电池负极材料的成功商业化引起了人们对二维材料做电池负极的探索。随着人们对高比容量和能量密度电极材料的需求，石墨烯逐渐无法满足当前社会的发展要求，而二维材料拥有较大的比表面积及高的储存位点，是高容量电池负极材料的不二之选。作者基于Janus 2H-VSeTe单层材料，系统探索了其作为锂离子电池负极材料的可行性，研究包括吸附性质、理论容量、开路电压和离子在界面的扩散能垒。通过以上研究，证实Janus 2H-VSeTe单层是锂离子电池负极材料的可行候选者

2. 建模与计算方法

作者通过MedeA Environment中创建了2H-VSe2单层结构，通过Substitution search功能将Te替换Se创建Janus 2H-VSeTe结构，采用Supercell Builder功能创建4*4*1超胞体系。作者采用MedeA VASP模块中GGA-PBE方法，对体系进行结构优化；为更精确计算体系电子性质，在V 3d轨道上加U，其中U=2 eV，J=0.87 eV；计算考虑范德华作用力，采用DFT+D3；采用MedeA VASP中MD分析体系热稳定性，而动力学稳定性则采用MedeA Phonon分析；锂离子在Se和Te层的扩散行为则用MedeA TSS模块分析。

3. 结果与讨论

3.1 结构及电子性质分析

作者通过MedeA Environment创建Janus 2H-VSeTe结构，随后采用MedeA VASP对体系进行结构优化并计算体系电子性质，见图1。从图1a中可知，每个V原子被3个Se、3个Te原子包围；由于Se、Te层原子半径和电负性差异较大，V-Te、V-Se有不同的原子距离和层间距高度。图1c为Janus 2H-VSeTe单层结构在300 K下AIMD稳定性分析，很明显在此条件下，Janus 2H-VSeTe单层结构和能量没有显著变化，说明体系具有良好的热稳定性。Janus 2H-VSeTe结构在整个布里渊区内没有虚频，证明体系具有良好的动力学稳定性（图1d）

图1 Janus 2H-VSeTe (a) 结构；(b) 静电势；(c) 分子动力学图；(d) 声子色散图

随后作者对Janus 2H-VSeTe体系进行电子性质分析，见图2。图2a显示Janus 2H-VSeTe结构为直接带隙，带隙为0.324 eV。态密度（DOS）显示V d轨道不同自旋态占据了导带底（CBM）和价带顶（VBM），而Se、Te原子贡献于较低能级（图2b）；电荷密度图中也能看到V d轨道贡献（图2c），与DOS相对应。

图2 Janus 2H-VSeTe结构 (a) 能带结构；(b) 态密度DOS；(c) CBM和VBM图；(d) 电子局域图

3.2 吸附性质研究

作者通过MedeA VASP模块计算Li在Janus 2H-VSeTe单层结构上可能存在的吸附位点，见图3。计算发现，Li原子倾向于吸附在2H-VSeTe单层中六角hollow site和V-top site。吸附态密度图中可知，锂原子吸附后使2H-VSeTe从半导体性质转变为金属性质，这种转变增强了体系的导电能力，有助于加速电子迁移。差分电荷密度图中可知，锂原子失去绝大多数电子，移向界面与它相连的Se或Te原子，这种离子化状态使其可作为电极材料，进而作为充放电过重嵌入和脱出的反应物。

图3 右侧不同吸附位点太密度图；左侧差分电荷密度图

3.3 迁移性质及开路电压研究

作者通过MedeA TSS模块计算锂离子可能得迁移路径。锂离子在Janus 2H-VSeTe上有两个稳定吸附位点（hollow site及V-top site），因此计算这两个不同的迁移路径，从V-top site到邻近V原子顶部为Path A，从V-top site到六角hollow site再到V-top site为Path B（见图4）。计算发现，锂离子在界面迁移时更倾向于Path B，且具有0.158 eV小能垒。锂离子在2H-VSeTe单层结构上具有较快的扩散过程，电池有较快的充放电速率。

图4 2H-VSeTe单层中锂离子迁移路径及能垒

随后作者计算2H-VSeTe单层结构对锂离子的最大负载量（理论容量）和不同浓度负载时体系开路电压，见图5。从图中可知，开路电压随浓度变化呈下降趋势；2H-VSeTe单层结构最大理论容量为416mA hg^-1，理论容量较高，表表明2H-VSeTe可替代石墨烯作为锂电池负极材料。

图5 2H-VseTe不同吸附浓度下(a, b) 开路电压；(c, d) 理论容量图

4. 总结与展望

本案例中，作者利用密度泛函理论系统地计算了Janus 2H-VSeTe单层的几何结构、稳定性及电子结构作为锂离子电池负极材料的可行性。Janus 2H-VSeTe单层具有好的动态稳定性和热力学稳定性；锂原子吸附可导致Ef附近电子态增加和金属行为转变，确保Janus 2H-VSeTe单层具有良好的导电性；锂离子在2H-VSeTe中迁移路径也证明在充电和放电过程中存在高的离子迁移率，且Janus 2H-VSeTe具有较高的比容量，表明Janus 2H-VSeTe单层是LIBs负极材料的可行候选者。本文的研究对于寻找新型二维电池负极材料具有指导意义。

参考文献：

DOI: 10.1016/j.jelechem.2023.117786

使用MedeA模块：

• MedeA Environment

• MedeA VASP

• MedeA Phonon

• MedeA TSS