第一性原理研究Ge掺杂对硅烯储锂行为的影响OA北大核心CSTPCD

二维材料硅烯被认为是一种极具潜力的锂电负极材料,然而其难以单独稳定存在,通过元素掺杂可有效提高其结构稳定性。锗(Ge)不仅具有与硅(Si)相同的价电子结构,同时锗烯具有更高的电子电导率,并表现出更好的电化学性能。本工作通过基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Ge掺杂对硅烯储锂行为的影响。分别对Si17Ge的结构稳定性、吸附能力、扩散行为、理论比容量、开路电压和电子电导率等进行了计算和分析,结果表明掺杂Ge后,Si17Ge仍保持着硅烯原有的六角晶格结构,表现出良好的结构稳定性。吸附能和扩散能垒表明Ge的掺杂可提高硅烯对锂的吸附能力以及锂在水平和垂直方向的扩散能力。通过开路电压以及吸附能计算推测Si17Ge最大可吸附18个Li,同时具有高达876.85 mAh/g的理论比容量,与已有的二维材料相比,显示出较高的理论比容量和较低的扩散能垒。态密度分析显示Si17Ge吸附少量锂后,费米能级处的DOS因Li的吸附得到了增强,体系表现出金属性。当Si17Ge吸附较高浓度锂时,Li18Si17Ge的费米能级处出现明显带隙,整个体系从导体变为半导体。本研究将为二维硅基材料以及其他二维材料的设计提供重要的理论指导。