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二维横向黑磷-石墨烯异质结中锂离子扩散界面效应的理论研究

中文摘要

随着大规模储能系统和电气设备的快速发展，储能器件面临着越来越多的需求和

挑战。其中，锂离子电池具有充电快、能量密度高的优点，在各领域应用日渐广泛。

由不同种类二维材料组成的横向异质结应用到锂离子电池中时，可以表现出充放电速

度快等独特优势。在二维横向异质结中，界面对充放电性能以及寿命具有决定性的影

响。由黑磷与石墨连接组成的二维横向黑磷-石墨烯异质结(BP-G)，作为阳极材料的锂

离子电池可以同时实现高速率和高容量的优良特性。然而，BP-G界面具体结构还不清

晰，界面效应尚待研究。

本文使用第一性原理计算，探究了BP-G的界面原子结构、热力学稳定性、电子性

质和锂离子扩散界面效应特性。首先，我们比较了不同界面BP-G的热力学稳定性，发

现石墨烯和黑磷部分的左右两个边界各自为相互对称性界面时最稳定。其次，Clar规

则的界面可以使BP-G在费米能级处打开一个有限的带隙，同时提高了热力学稳定性和

电子学稳定性。然后，我们比较了使用Clar规则替换原子前后的两种界面结构，锂离

子在跨越界面的扩散情况。结果表明，与完美的BP-G界面相比，符合Clar规则的界

面可以为锂离子迁移提供更多的扩散路径，对应的扩散能量势垒也会降低。最后，我

们探讨了锂离子在双层BP-G层间界面的扩散情况。发现由于层间相互作用的影响，锂

离子在双层BP-G界面扩散的能量势垒显著增加。

以上结果表明横向BP-G异质结的性质在很大程度上依赖于界面结构。本研究为

BP-G中锂离子输运提供了清晰的物理图像，也为锂离子电池的快速充放电过程提供了

理论支持。

关键词：二维横向异质结，界面，锂离子迁移，Clar规则，第一性原理

I

II

Theoreticalstudyofinterfacialeffectsonlithium-iondiffusionin

two-dimensionallateralblackphosphorus–graphene

heterostructures

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentoflarge-scaleenergystoragesystemsandelectric

devices,variousenergystoragedevicesarefacingmorechallenges.Lithium-ionbatteries

havemanyadvantages,suchasthefastcharginganddischarging,andhavewidely

applicationsinvariousfields.Thelateralheterostructuresconstructedfromdifferenttwo-

dimensionalmaterialshaveuniqueadvantageswhenappliedtolithium-ionbatteries.Two-

dimensionallateralblackphosphorus-grapheneheterostructure(BP-G)iscomposedofblack

phosphorusmonolayerconnectedwithgraphenemonolayer,whichcanbeusedasanode

materialforlithium-ionbatteries.Itcanbechargedatahighrateandstoredatahighcapacity

atthesametime.Intwo-dimensionallateralheterostructures,theinterfacehasgreatinfluence

onthechargeanddischargeprocessoflithium-ionbatteries.Therefore,theatomicstructure