[論文レビュー] Defective graphene as promising anode material for Na-ion battery and Ca-ion battery

Dibakar Datta, Junwen Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2013

Advancements in Battery Materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、特に二重空位（DV）およびストーン＝ウェイズ（SW）欠陥を有する欠陥を有するグラフェンが、ナトリウム（Na）およびカルシウム（Ca）イオンの強力な吸着を可能にし、ナトリウムイオン電池およびカルシウムイオン電池の高効率なアノード材料として極めて有望であることを示している。強化された吸着は、欠陥に起因する電荷移動の増加に起因し、最大DV欠陥密度を有する場合、理論的容量はナトリウムイオン電池で最大1459 mAh/g、カルシウムイオン電池で2900 mAh/gに達する。

ABSTRACT

We have investigated adsorption of Na and Ca on graphene with divacancy (DV) and Stone-Wales (SW) defect. Our results show that adsorption is not possible on pristine graphene. However, their adsorption on defective sheet is energetically favorable. The enhanced adsorption can be attributed to the increased charge transfer between adatoms and underlying defective sheet. With the increase in defect density until certain possible limit, maximum percentage of adsorption also increases giving higher battery capacity. For maximum possible DV defect, we can achieve maximum capacity of 1459 mAh/g for Na-ion batteries (NIBs) and 2900 mAh/g for Ca-ion batteries (CIBs). For graphene full of SW defect, we find the maximum capacity of NIBs and CIBs is around 1071 mAh/g and 2142 mAh/g respectively. Our results will help create better anode materials with much higher capacity and better cycling performance for NIBs and CIBs.

研究の動機と目的

• 欠陥を有するグラフェンがナトリウムイオン電池およびカルシウムイオン電池のアノード材料として実現可能かどうかを調査すること。
• 特定の欠陥（二重空位（DV）およびストーン＝ウェイズ（SW））が、純粋なグラフェンと比較してイオン吸着をどのように向上させるかを理解すること。
• 欠陥を有するグラフェンがナトリウムイオン電池およびカルシウムイオン電池において達成可能な最大理論的容量を定量化すること。
• 欠陥密度と吸着エネルギーおよび容量の相関関係を明らかにし、アノード性能を最適化すること。
• 多価イオン電池用の高容量で安定なアノード材料の設計に理論的基盤を提供すること。

提案手法

• ナトリウム（Na）およびカルシウム（Ca）イオンが純粋なグラフェン、二重空位（DV）、ストーン＝ウェイズ（SW）欠陥を有するグラフェンシートに吸着する様子を、密度汎関数理論（DFT）計算を用いてモデル化した。
• 電子構造解析を用いて、付加原子（Na、Ca）と欠陥を有するグラフェンとの間の電荷移動を分析した。
• 吸着エネルギーと結合配置を評価し、イオン吸着の熱力学的有利性を特定した。
• 容量スケーリングを評価するために、最大限の可能値まで欠陥密度を段階的に増加させた。
• イオン結合エネルギーおよび理論的容量の観点から、DV欠陥とSW欠陥の性能を比較した。
• 計算された全エネルギー変化を用いて、アノード材料の理論的比容量を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナトリウム（Na）およびカルシウム（Ca）イオンは、純粋なグラフェン上に効果的に吸着することができるのか、それとも欠陥工学の導入が不可欠なのか？
• RQ2 二重空位（DV）およびストーン＝ウェイズ（SW）欠陥は、ナトリウム（Na）およびカルシウム（Ca）イオンの吸着エネルギーおよび電荷移動にどのように影響を与えるのか？
• RQ3 欠陥を有するグラフェンがナトリウムイオン電池およびカルシウムイオン電池において達成可能な最大理論的容量は何か？
• RQ4 欠陥密度を増加させることで、イオン吸着容量および安定性にどのような影響が生じるのか？
• RQ5 多価イオン電池において、より高い容量およびより好ましいイオン結合を示す欠陥タイプはDVかSWのどちらか？

主な発見

• 純粋なグラフェン上では、電荷移動が著しくないため、ナトリウム（Na）およびカルシウム（Ca）イオンの吸着はエネルギー的に不利である。
• 二重空位（DV）およびストーン＝ウェイズ（SW）などの欠陥は、付加原子への電荷移動の増加により、イオン吸着を顕著に向上させる。
• 最大の可能な二重空位（DV）欠陥密度を有する場合、理論的容量はナトリウムイオン電池で1459 mAh/g、カルシウムイオン電池で2900 mAh/gに達する。
• ストーン＝ウェイズ（SW）欠陥で完全に修飾されたグラフェンでは、理論的容量はナトリウムイオン電池で1071 mAh/g、カルシウムイオン電池で2142 mAh/gに達する。
• 欠陥密度が増加するに従い、容量も一定の限界まで上昇するため、欠陥濃度とイオン貯蔵能力との強い相関関係が示唆される。
• これらの結果から、グラフェンにおける欠陥工学は、多価イオン電池用に高容量で安定なアノード材料の開発に繋がると示唆される。