CAT蓄电池揭示二维狄拉克半金属HOT-石墨烯作为高性能锂离子电池负极材料的潜力
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-04-02 10:08:01 点击： 次
图形摘要
引言
在现代社会中，石油仍是全球范围内应用最广泛的能源。然而，由于其不可再生性和环境污染问题，人们对清洁高效替代能源的追求日益强烈，这使得电池技术成为关键研究前沿。锂离子电池（LIBs）因其成本效益高、能量密度大、环境影响低及可持续性等优势特性[1][2][3]，已成为极具重要性的能源存储方案。这些优势使锂离子电池成为电动汽车和电子设备的主要动力来源。因此，开发高性能锂离子电池仍是当代储能研究的核心课题。电极材料的特性对电池整体性能具有决定性影响[4]。二维（2D）材料因其比表面积大、导电性优异及稳定性突出等优势特性[5][6][7][8]，已成为极具前景的负极材料而受到广泛关注。
目前，锂离子电池的主要二维负极材料包括石墨烯、硼烯、磷烯等[9][10][11]。Barik等人研究表明，蓝磷烯存在导电性不足的缺陷，这会显著损害电池系统的循环性能与整体效率[12]。Raccichini团队则指出，石墨烯虽具优势，但作为锂离子电池负极材料仍存在体积能量密度较低、初始不可逆容量较高等局限性[13]。此外，锂离子间的固有斥力与锂簇形成倾向严重限制了石墨烯吸附高浓度锂离子的能力[14][15]，使得常规石墨烯并非锂离子电池负极的最佳材料。
值得注意的是，近期研究表明，二维石墨烯同素异形体材料作为锂离子电池负极时，相较于传统石墨烯展现出多重优势，包括更高的存储容量、更优异的循环稳定性、更低的扩散势垒以及更优化的开路电压。例如，Wang等人提出了一种由碳骨架聚合而成的新型二维石墨烯同素异形体材料，命名为ψ-石墨烯。其计算结果表明，该材料具有较低的锂离子扩散能垒（<0.313 eV），但其最大锂离子存储容量相对较低（372 mAh/g）[70]。基于密度泛函理论（DFT），Hankel团队研究了二维缺陷类石墨烯膜材料phagraphene和biphenylene作为锂离子电池负极的性能。二者的理论容量均超过原始石墨烯，分别达到487.47 mAh/g和623.72 mAh/g[16]。Zhang等人设计了一种由碳五边形构成的稳定结构，该结构展现出异常负泊松比及可超越石墨烯的超高强度[17]。此后不久，Yu等人通过第一性原理计算评估了五边形石墨烯作为锂离子电池负极材料的潜力。其研究结果显示理论容量高达1489 mAh/g，远优于多数二维负极材料。此外，该材料还具有低开路电压（0.24–0.60 V）和低锂离子扩散势垒（≤0.33 eV）的特性[18]。然而，五边形石墨烯是一种宽带隙半导体（3.25 eV）[17]，这限制了其导电性，因此不利于电化学性能。Chen等人从理论上提出了一种新型二维平面碳同素异形体（popgraphene），该结构由5-8-5碳环组成并呈现金属特性。Popgraphene可实现1487 mAh/g的显著容量、低扩散势垒（0.55 eV）以及0.45 V的低平均开路电压[19]。这些新型二维石墨烯同素异形体可通过在原始石墨烯中引入双空位缺陷和Stone-Wales缺陷获得，其活性位点增加从而增强了锂离子吸附能力。
受此启发，我们提出一种新型二维石墨烯同素异形体——命名为HOT-graphene——该碳网络结构由六边形、八边形和四边形组成，并展现出与石墨烯相似的半金属特性。正如我们先前研究[20]所证实的，HOT-graphene不仅具有较低的形成能，还表现出优异的动力学稳定性、机械稳定性和热稳定性。尽管HOT-graphene目前仍属于理论预测材料，但近年来具有类似环状结构的二维碳同素异形体在实验制备方面的突破性进展，为其合成可行性提供了直接而有力的佐证。基于已成功合成的联苯撑结构，一种可行的HOT-石墨烯制备策略如下：在金属基底上，使用特定结构的窄角多环芳烃前驱体，在受控条件下进行脱氢环化反应，形成包含四元环、六元环和八元环的扩展网络结构[21]。另一种方案是首先合成具有目标环结构的纳米带，随后在基底表面诱导其脱氢反应，从而实现从一维纳米带到二维网络的拓扑扩展[22]。此外，通过化学掺杂、离子/电子束辐照或应变调控等手段，可在石墨烯中定向引入四元环和八元环结构，逐步实现从石墨烯到HOT-石墨烯的拓扑转变[23]。
当作为锂离子电池负极材料使用时，HOT-石墨烯展现出多方面的理论优势。首先，其独特的半金属电子结构不仅能保障高电子导电性——这有利于提升电极的倍率性能，同时还能促进锂离子吸附与扩散行为的调控，从而优化界面电荷转移过程。其次，这种材料具有显著的面内机械各向异性[20]，为电极在循环过程中的应力管理提供了潜在解决方案，有助于缓解由体积变化引起的结构劣化。更重要的是，类双空位缺陷的八边形环结构特征能够促进更多锂离子传输通道的形成，从而提升锂离子在电极材料中的扩散速率，最终改善电池的导电性与电化学性能。这些特性共同赋予HOT-石墨烯以高稳定性、高导电性和适中倍率能力的潜力，从而为其后续实验开发与器件应用奠定了系统的理论基础。因此，本工作采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，系统探究HOT-石墨烯作为锂离子电池负极材料是否具备优异性能与实际应用潜力。
