本發明涉及電化學儲能，具體涉及鈉離子電池負極材料異質結構及構建方法與性能預測方法。

背景技術：

1、近年來，尋找清潔、低碳且安全高效的電力存儲方式成為熱點，電化學儲能也已經成為一個越來越重要的研究主題。鈉在地殼中的儲量豐富，鈉電極的標準氫電極電位為-2.71v，氧化還原電位比鋰電極高0.3v，故鈉電極具有更加安全的氧化還原電勢和較強的化學穩定性，這使得鈉離子電池，即sibs在眾多的可充電金屬離子電池中脫穎而出。盡管現有的鋰離子電池，即libs的經驗可以在sibs的開發中發揮重要作用。然而，相比li+，na+較大的離子半徑導致na+在電極材料中緩慢的擴散反應動力學。其次，鈉的質量也比鋰的質量大，同時具有較高的標準電極電位，即-2.71?vvs.-3.02?v，這也勢必降低sibs的能量密度。電極材料，包括負極和陰極是決定電池可逆存儲容量、高能量密度和長循環壽命的主要因素。與正極材料相比，負極材料的選用是sibs中最難解決的部分，首先鈉原子半徑偏大，導致充放電中體積變化大，長循環后會使材料結構塌陷，降低壽命；其次，鈉熔點低，不能直接作為負極，而且容易與有機溶劑反應，在循環過程中還會形成枝晶，造成安全問題。

2、由于鈉離子比鋰離子具有更大的離子半徑，導致離子擴散速率慢，電極材料在充放電過程中體積膨脹也更大，從而引起電極倍率性能和循環穩定性變差。mxene因具有親水表面和高金屬導電性在儲能、催化和許多其他領域表現出良好的性能，mxene具有的分層結構與較多的金屬表面活性位點，為鈉離子的存儲和運輸提供了豐富的通道。然而，由于制備條件的限制，mxene會不可避免地發生堆疊，降低比表面積，導致離子吸附位點減少，同時，多層mxene并不是有序地堆疊，失去二維材料本身的優勢。

3、sic作為先進的功能陶瓷材料具有良好的抗熱沖擊性、耐高溫、化學穩定性好和高模量等特性，但其實際應用往往受限于陶瓷材料的脆性。合金型負極材料擁有較高的鈉存儲容量及相對合適的工作電位，在眾多的新型負極材料中，ⅳ族合金基元素，包括鍺和錫等，可以與大量鈉合金化反應，由于其高的體積和質量容量、低工作電位和天然豐富度而備受關注。在鈉離子電池中，sn合金材料能與鈉發生合金化反應并存儲3.75mol的鈉離子，具有較高的理論比容量，約為847mah/g。此外，sn還具有無毒，豐度高，低成本等優勢。另一元素，ge具有較快的鋰離子擴散速率、良好的電導率和較高的理論比容量，對于sibs為369mah/g。然而，鍺和錫的合金基負極材料在實際應用中主要受限于體積變化過大導致材料粉化甚至從集流體上脫落，從而導致較差的循環能力和容量衰減。

技術實現思路

1、針對上述問題，本發明提供了鈉離子電池負極材料異質結構及構建方法與性能預測方法，有效解決了由于鈉原子半徑偏大，導致充放電中體積變化大，長循環后會使材料結構塌陷，降低壽命；鈉熔點低，不能直接作為負極，而且容易與有機溶劑反應，在循環過程中還會形成枝晶，造成安全問題的技術缺陷，同時提供了一種孔徑尺寸合適，能夠實現離子存儲以及緩和離子傳輸造成破壞的鈉離子電池負極材料結構模型。

2、本發明的第一個目的是提供鈉離子電池負極材料異質結構的構建方法，包括以下步驟：

3、構建體相nb2c和sic結構模型，對所述體相nb2c和sic結構模型進行優化，再構建得到2d?nb2co2單胞模型和sic單胞模型；基于所述nb2co2單胞模型和sic單胞模型構建單層nb2co2超胞模型和單層sic超胞模型。

4、將合金元素a引入單層nb2co2超胞模型，得到nb1-xaxco2模型。

5、將所述sic超胞放置在nb2co2超胞頂部，構建sic/nb2ctx異質結構模型；在所述nb1-xaxco2模型上方放置單層sic超胞，結構優化后，得到sic/nb1-xaxco2異質結構模型，所述合金元素a為ge或sn，x為0.15~0.75。

6、作為一種優選的實施方式，當所述合金元素a為ge，x為0.25時，所述sic/nb1-xaxco2異質結構模型為sic/nb0.75ge0.25co2，晶格參數為6.31?；當所述合金元素a為ge，x為0.50時，所述sic/nb1-xaxco2異質結構模型為sic/nb0.50ge0.50co2，晶格參數為6.15?。

7、作為一種優選的實施方式，當所述合金元素a為sn，x為0.25時，所述sic/nb1-xaxco2異質結構模型為sic/nb0.75sn0.25co2，晶格參數為6.46?；當所述合金元素a為sn，x為0.50時，所述sic/nb1-xaxco2異質結構模型為sic/nb0.50sn0.50co2，晶格參數為6.35?。

8、作為一種優選的實施方式，所述單層nb2co2超胞模型為2×2×1的超胞模型，晶格參數和角度分別為a=b=3.18?，α=β=90°和γ=120°及nb-c鍵鍵長為dnb-c=2.16?；所述單層sic超胞模型為2×2×1的超胞模型，晶格常數為a=b=3.10?，si-c鍵長為dsi-c=1.78?。

9、作為一種優選的實施方式，當所述合金元素a為ge，x為0.25時，所述nb1-xaxco2模型為nb0.75ge0.25co2，晶格常數為a=b=3.10?，nb-c鍵鍵長為dnb-c=2.15?，ge-c鍵長為dge-c=2.13?；當所述合金元素a為ge，x為0.50時，所述nb1-xaxco2模型為nb0.50ge0.50co2，晶格常數為a=b=3.02?，nb-c鍵鍵長為dnb-c=2.15?，ge-c鍵長為dge-c=2.13?。

10、作為一種優選的實施方式，當所述合金元素a為sn，x為0.25時，所述nb1-xaxco2模型為nb0.75sn0.25co2，晶格常數為a=b=3.15?，nb-c鍵鍵長為dnb-c=2.15?，sn-c鍵長為dsn-c=2.17?；當所述合金元素a為sn，x為0.50時，所述nb1-xaxco2模型為nb0.50sn0.50co2，晶格常數為a=b=3.12?，nb-c鍵鍵長為dnb-c=2.15?，sn-c鍵長為dsn-c=2.17?。

11、本發明的第二個目的是提供一種采用上述構建方法構建得到的鈉離子電池負極材料異質結構。

12、本發明的第三個目的是提供上述鈉離子電池負極材料異質結構的性能預測方法，所述性能預測包括能量穩定性預測、熱力學穩定性預測、鈉離子在異質結構上吸附穩定性預測和導電性預測。

13、所述性能預測方法包括以下步驟：

14、對所述sic/nb1-xaxco2異質結構模型進行從頭算分子動力學模擬，獲得能量-時間變化曲線；計算所述sic/nb1-xaxco2異質結構模型的形成能和聲子譜，依據所述能量-時間變化曲線進行能量穩定性預測，依據所述形成能和聲子譜進行熱力學穩定性預測。

15、在所述sic/nb1-xaxco2異質結構中sic一側、nb1-xaxco2一側及所述sic/nb1-xaxco2異質結構層間不同典型位點上分別添加na原子，得到鈉原子吸附模型。

16、依據鈉原子吸附模型計算鈉原子在負極材料表面的吸附能，進行鈉離子在異質結構上的吸附穩定性預測。

17、通過計算sic/nb1-xaxco2異質結構在吸附鈉離子前后的電子性能數據以及鈉離子在所述sic/nb1-xaxco2異質結構上的吸附行為、擴散動力學、開路電壓及理論比容量，進行導電性預測。

18、作為一種優選的實施方式，所述鈉原子吸附模型的構建方法具體為：

19、選取sic一側的c原子、si原子、sic中c原子的頂部及si-c鍵橋位上方距離2?處添加na原子，得到na在sic/nb1-xaxco2異質結構sic一側的吸附模型。

20、選取nb2co2/nb1-xaxco2一側的c原子、o原子、nb/a原子的頂部、nb-nb-c原子的頂部及nb-o/a-c鍵的橋位上方距離2?處添加na原子，得到na在sic/nb1-xaxco2異質結構nb2co2/nb1-xaxco2一側的吸附模型。

21、選取層間c原子、o原子、nb/a原子的頂部、nb-nb-c原子的頂部及nb-o/a-c鍵的橋位上方距離2?處添加na原子，得到na原子在sic/nb1-xaxco2異質結構層間的吸附模型。

22、作為一種優選的實施方式，所述電子性能數據為電子能帶結構、態密度、差分電荷密度和電子局域函數。

23、作為一種優選的實施方式，所述計算是基于第一性原理castep模塊中實現，交換關聯泛函采用gga-pbe廣義梯度方法描述。

24、作為一種優選的實施方式，在計算電子性能數據時，平面波截斷能設置為450ev，采用4×4×1的k點網格進行布里淵區積分；在計算過程中，原子完全弛豫，力和能量收斂準則分別設置為0.01ev?-1和1×10-5ev。

25、作為一種優選的實施方式，在吸附行為，擴散動力學和理論比容量計算過程中，采用帶有grimme校正的dft-d3方法描述長程范德華相互作用，沿z方向設置大于15?真空層，避免層間相互作用。

26、作為一種優選的實施方式，在進行從頭算分子動力學模擬時，采用nosé-hoover方法控制溫度、nvt系綜的條件下進行從頭算分子動力學模擬，溫度設置為300k，模擬持續時間為3000fs，時間步長為1fs。

27、與現有技術相比，本發明的有益效果在于：

28、本發明提供了鈉離子電池負極材料異質結構及構建方法與性能預測方法，通過第一性原理的密度泛函理論模擬方法，利用castep模塊進行sic/nb1-xaxco2異質結構模型構建，通過ge或sn合金元素取代nb原子得到nb1-xaxco2，再與2d?sic材料復合構建一種sic/nb1-xaxco2異質結構，從而獲得一種電化學性能改善的鈉離子電池負極材料。選用的單層nb2co2mxene自身良好的機械性能和高的金屬性為負極材料提供了良好的電子導電性和結構穩定性，引入陶瓷半導體材料sic，其固有高的硬度和強度性進一步保障了優異的結構結構穩定性和高的理論容量，同時改善nb1-xaxco2mxene納米片的聚集；構建的異質結構表現的金屬行為提高了負極材料在電池工作中的電子導電性；由sic與nb1-xaxco2形成的異質結構界面在促進電子導電性和na離子傳遞中起著重要的作用。另外，由于合金元素ge和sn元素與c元素接近的電負性，使合金元素與c之間形成的a-c鍵化學鍵強度強于nb-c鍵，從而增強材料結構本身的穩定性，進而有利于保持電極結構的完整性。

29、本發明構建的sic/nb1-xaxco2異質結構具有顯著增強的na原子吸附能力。此外，由于合金元素摻雜的協同促進作用，加速了電子電導率，進一步提高了其作為電極的適用性；在sic/nb1-xaxco2異質結構層間，na表現出降低的擴散勢壘，這確保了其高的離子遷移率；與本征sic/nb2co2異質結構相比，sic/nb1-xaxco2具有明顯提高的理論容量；na原子負載的sic/nb1-xaxco2異質結構表現出增強的導電性，na吸附的異質結構體系具有良好的能量穩定性。同時，本發明基于第一性原理計算方法從微觀層次揭示了合金元素對負極材料電化學行為的影響規律，并為快速有效預測設計出結構穩定和性能改善的新型電極材料提供了思路。