【摘 要】
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电动汽车、便携式电子及电网储能的发展导致对锂离子电池（LIBs）等储能设备的需求快速增长。然而由于受到锂资源的限制,未来LIBs难以满足市场需求,因此人们开始关注其他金属离子电池,如钠/钾/镁/钙离子电池（NIBs/KIBs/MIBs/CIBs）。但是传统电池电极材料并不完全适用于这些金属离子电池,需要寻找新型的负极材料。二维范德华异质结构可以保留/克服其单层的优势/缺点,并在储存性能上可能产生协
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电动汽车、便携式电子及电网储能的发展导致对锂离子电池（LIBs）等储能设备的需求快速增长。然而由于受到锂资源的限制,未来LIBs难以满足市场需求,因此人们开始关注其他金属离子电池,如钠/钾/镁/钙离子电池（NIBs/KIBs/MIBs/CIBs）。但是传统电池电极材料并不完全适用于这些金属离子电池,需要寻找新型的负极材料。二维范德华异质结构可以保留/克服其单层的优势/缺点,并在储存性能上可能产生协同效应,吸引了研究者的兴趣。本文选择新型二维MXenes材料为基底,与Mo S2、蓝磷烯（Blue P）和六方磷化硼（h-BP）材料构建了异质结构,即Mo S2/M2CS2（M=Ti,V）、Blue P/Ti2CS2和h-BP/V2CS2。我们利用第一性原理研究了所有这些异质结构或相关单层的结构和电子性质,并系统探究了它们作为LIBs/NIBs/KIBs/MIBs/CIBs负极材料的潜力,结果表明:（1）Mo S2/M2CS2异质结构具有良好的结构稳定性和导电性。将异质结构用于LIBs/NIBs/KIBs/MIBs中的结果发现:它们在NIBs（约400 m Ah/g）或LIBs（约320 m Ah/g）的理论容量远远高于在KIBs或MIBs的理论容量,其中在NIBs中的容量高于目前市场上常用石墨的容量;Mo S2/M2CS2在这些金属离子电池中的平均开路电压（OCV）基本上在0～1V的范围,符合负极材料低压的要求;金属离子在异质结构中的扩散势垒小于0.4 e V,表明这两种异质结构在LIBs/NIBs/KIBs/MIBs中具有优异的倍率性能。总体来说,这两种异质结构适合作为NIBs/LIBs的负极材料。此外,进一步对比平均OCV和容量的结果表明Mo S2/M2CS2异质结构是更有希望的NIBs负极材料。（2）Blue P/Ti2CS2异质结构具有良好的结构稳定性和导电性,将异质结构用于LIBs/NIBs/KIBs中发现:由于显著的协同作用,异质结构吸附Li/Na/K达到了4/8/3层,远超其单层Blue P吸附的2/2/2层和Ti2CS2吸附的2/6/2.67层,导致在LIBs/NIBs/KIBs中容量高达459/947/344 m Ah/g;Blue P/Ti2CS2在这些金属离子电池中的平均OCV在0.32～0.78 V之间,有助于电池获得较大的电压窗口;Li/Na/K离子在异质结构中的扩散势垒低至0.37/0.21/0.10 e V,预计这些离子在异质结构中扩散速率高。整体结果表明,Blue P/Ti2CS2是很有前景的LIBs/NIBs/KIBs负极材料,尤其是作为NIBs的负极材料。（3）h-BP/V2CS2异质结构及其单层（h-BP和V2CS2）结构都是稳定的。异质结构避免了h-BP半导体的缺点而呈现出金属性。在h-BP/V2CS2及其单层用于LIBs/NIBs/MIBs/CIBs中的对比中发现:异质结构的容量反映了明显的协同效应,在LIBs/NIBs/MIBs/CIBs的容量高达366/732/1219/732 m Ah/g,远超过其单层h-BP（均为0 m Ah/g）和V2CS2（301/301/67/602 m Ah/g）的容量;对于同种电池中的平均OCV,h-BP/V2CS2大部分要稍高于单层,但它们基本满足0～1 V的低压要求;对于同种离子,尽管h-BP/V2CS2异质结构中的吸附能相对于它的单层有所增加,但在异质结构中的扩散势垒（最大值0.39 e V）大多小于或接近于在它的单层中的扩散势垒。这些结果表明,作为LIBs/NIBs/CIBs的负极,h-BP/V2CS2异质结构的储存性能显然优于两个单层;而作为MIBs的负极,异质结构显著优于其所有单层,因为它具有远超两个单层的超大容量,极低的平均OCV（0.07 V）和扩散势垒（0.06 e V）。
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