《Chemical Physics Letters》：VS2/Cr2NS2 heterostructure composites for high speed lithium ions storage
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锂离子电池用VS?/Cr?NS?异质结构通过第一性原理计算验证其高稳定性（形成能-0.28 eV）、优异机械性能（杨氏模量156.2 N/m）及锂吸附特性（吸附能-4.28 eV，迁移势垒0.08-0.25 eV），理论容量达902 mAh/g，适用于高速储能场景。
吴俊豪|肖世成|陈宣明|徐福荣|江希元|张玉瑞|唐贵平|范志强
长沙理工大学物理与电子科学学院，中国长沙410014
摘要
本研究采用第一性原理方法评估了H-VS?/Cr?NS?异质结构是否可作为可行的高速锂离子存储材料。该复合材料的形成能为?0.28 eV，并且在适当的堆叠结构下表现出较强的稳定性。复合材料的杨氏模量为156.2 N/m，远高于相应的单层材料。该异质结构有效保留了VS?和Cr?NS?的能带，具有内在的金属性和高导电性。此外，计算结果显示，VS?/Cr?NS?异质结构的锂吸附能为?4.28 eV，锂离子的迁移势垒在0.08至0.25 eV之间，理论容量为902 mAh/g，表明在充放电循环过程中锂离子的迁移速度较快。这些有趣的发现表明，VS?/Cr?NS?异质结构在锂离子电池应用中具有巨大潜力。
引言
在当今的能源存储和移动电源领域，锂离子电池展现了广泛的应用前景。它们在电动汽车、便携设备、储能系统等领域的广泛应用标志着现代社会向可持续能源转型的关键一步。首先，锂离子电池在电动汽车行业的应用已成为促进环境保护和减少碳排放的重要技术。随着全球对环境问题的关注日益增加，锂离子电池的高能量密度和长寿命特性使其成为替代传统燃油驱动车辆的首选。它们高效的能量转换和长循环寿命显著降低了运营成本和环境影响，推动了电动交通的普及。此外，锂离子电池在可再生能源存储系统中也发挥着越来越重要的作用。它们能够有效存储太阳能和风能等不稳定的能量输出，提高了可再生能源的整体可靠性和可预测性。这一应用有助于减少对化石燃料的依赖，并促进了能源网络的智能化和可持续发展。随着可充电电池技术的快速发展，阳极材料的创新已成为一个关键挑战，因为其性能限制仍然是进一步发展的主要障碍[1]。
在先前的研究中，人们发现传统的块状材料难以满足电极材料的需求。因此，二维（2D）材料被用作电池的电极材料，因为它们具有较大的比表面积，其中石墨烯和磷烯等材料已被系统研究并显示出优异的性能[2]、[3]。
其中，二维过渡金属硫族化合物（TMDs）材料由于其出色的稳定性和良好的机械延展性而成为重要的研究焦点。然而，这些材料在循环过程中容易发生显著的体积膨胀[4]、[5]。然而，没有一种材料同时具备所有理想的性能。过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）具有优异的化学和结构多样性[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。然而，MXenes的表面终止态和层堆叠倾向对其倍率性能和容量有很大影响。因此，后续研究主要集中在通过堆叠不同材料来形成范德华异质结构，以满足电极材料的需求。
在本文中，我们选择VS?/Cr?NS?异质结构作为电极材料。我们选择了TMDs材料中的VS?，因为它具有比类似结构MoS?更高的导电性和更低的相对质量。在各种电极材料中，MXenes材料具有出色的电导率、良好的动态和机械稳定性以及丰富的化学和结构多样性。这些特性使它们区别于其他二维材料[11]。然而，MXenes在循环过程中容易发生层堆叠，导致容量下降和倍率性能不佳。为了解决这个问题，将MXenes与其他二维材料结合形成异质结构被证明是一种有效策略。同时，不同组分之间的协同效应可以有效优化整体的电化学储能性能。MXenes的性能受表面官能团类型的影响。含有S官能团的MXenes与含有O官能团的MXenes在容量方面相近，但前者的倍率性能更好[12]。因此，我们使用Cr?NS?作为异质结构中的组成材料。在VS?/Cr?NS?异质结构中，VS?组分表现出良好的热稳定性。此外，当与BlueP和BN等二维材料结合形成异质结构时，这些异质结构表现出稳定的界面和优异的电子性能[13]、[14]。VS?/Cr?NS?异质结构的界面区域的扩散势垒低于表面，其杨氏模量也显著高于相应的单层材料（通过密度泛函理论（DFT）计算得出）。
计算方法
本研究采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法来优化几何结构、评估结构稳定性和研究电子性质。我们使用Atomistix ToolKit（ATK）软件包进行计算[15]。对于几何优化和电子结构分析，采用了广义梯度近似（GGA）[16]方法，并采用Grimme DFT-D3方案来更好地描述范德华力。
VS?/Cr?NS?的模型结构和稳定性
材料界面的结构稳定性决定了异质结构的性能、可靠性和寿命。通过第一性原理计算优化，获得了两种单层的晶格参数：VS?的晶格常数为3.16 ?，Cr?NS?的晶格常数为3.07 ?。这些数据与之前报道的VS?（3.18 ?）[20]和Cr?NS?（3.05 ?）[21]的值相比偏差小于1%，验证了计算模型的可靠性。
结论
总之，基于第一性原理计算，我们系统研究了VS?/Cr?NS?异质结构在锂离子电池中的模型结构、结构稳定性、机械性能、电子结构和电化学性能。计算结果证实，该异质结构具有优异的热力学稳定性和高机械刚性（杨氏模量>156 N/m），能够有效抵抗机械变形。
CRediT作者贡献声明
吴俊豪：验证、软件处理、数据整理。肖世成：方法论设计、实验研究、形式分析。陈宣明：初稿撰写、验证、实验研究。徐福荣：数据可视化、数据整理。江希元：初稿撰写、验证、指导、实验研究。张玉瑞：验证、项目管理、实验研究。唐贵平：审稿与编辑、资源调配、项目管理、概念构思。范志强：资源协调、资金支持
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12074046）和湖南省柔性电子材料基因组工程重点实验室的支持。
