[論文レビュー] Lithium Intercalation in Graphene/MoS2 Composites: First-Principles Insights

Xiji Shao, Kedong Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Graphene research and applications参考文献 48被引用数 5

ひとこと要約

この第一原理的研究では、ファンデルワールス補正付き密度汎関数理論を用いて、グラフェン/ジチリッドマーリング（Gr/MoS2）複合材料におけるリチウムのインターカレーションを調査した。Liのインターカレーション量を増加させることで、Li原子あたりの結合エネルギーが向上し、高容量のリチウム蓄積が可能になることが明らかになった。また、グラフェンのバンドギャップが最大160 meVまでチューナブルに開く一方で、イオン的Li結合にもかかわらず、ディラック・コーンは保持されることが示された。

ABSTRACT

As a storage material for Li-ion batteries, graphene/molybdenum disulfide (Gr/MoS2) composites have been intensively studied in experiments. But the relevant theoretical works from first-principles are lacking. In the current work, van-der-Waals-corrected density functional theory calculations are performed to investigate the interaction of Li in Gr/MoS2 composites. Three interesting features are revealed for the intercalated Gr/Li(n)/MoS2 composites (n = 1 to 9). One is the reason for large Li storage capacity of Gr/MoS2: due to the binding energies per Li atom increase with the increasing number of intercalated Li atoms. Secondly, the band gap opening of Gr is found, and the band gap is enlarged with the increasing number of intercalated Li atoms, up to 160 meV with nine Li; hence these results suggest an efficient way to tune the band gap of graphene. Thirdly, the Dirac cone of Gr always preserve for different number of ionic bonded Li atoms.

研究の動機と目的

• グラフェン/MoS2複合材料におけるリチウムインターカレーションの原子スケールのメカニズムを理解すること。
• Gr/MoS2系で実験的に観察された高リチウム蓄積容量の原因を説明すること。
• Liインターカレーションに伴うグラフェンの電子構造の変化を調査すること。
• イオン的Liインターカレーションの過程でグラフェンのディラック・コーンが保持されるかどうかを特定すること。
• リチウムインターカレーションされたGr/MoS2の安定性および電子的性質に関する理論的知見を提供すること。

提案手法

• Li原子とGr/MoS2ヘテロ構造の相互作用をモデル化するために、ファンデルワールス補正付き密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• グラフェンとMoS2の層間におけるLi原子数n = 1〜9のインターカレーション構造を体系的に調査した。
• 熱力学的安定性を評価するため、Li原子あたりの結合エネルギーを計算した。
• バンドギャップの開く状況とディラック・コーンの保持状況を評価するため、電子バンド構造を分析した。
• 最も安定なインターカレーション構造を特定するために、全エネルギー計算を実施した。
• グラフェンとMoS2の層間における弱いファンデルワールス相互作用を正確に記述するため、DFT+D3分散補正を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Gr/MoS2複合材料における高リチウム蓄積容量の起源は何か？
• RQ2 Liインターカレーションは、複合材料内のグラフェンの電子バンド構造にどのように影響を与えるか？
• RQ3 Liインターカレーションによって、グラフェンのディラック・コーンはどの程度保持されるか？
• RQ4 インターカレーション度が上昇するに従って、Li原子あたりの結合エネルギーはどのように変化するか？
• RQ5 Gr/MoS2における制御されたLiインターカレーションによって、グラフェンのバンドギャップをチューニングできるか？

主な発見

• Li原子のインターカレーション数が増加するにつれて、Li原子あたりの結合エネルギーが上昇し、Gr/MoS2複合材料の高リチウム蓄積容量のメカニズムが説明された。
• Liインターカレーションにより、グラフェンにバンドギャップが開き、9個のLi原子がインターカレーションされた状態で最大160 meVに達した。
• 全調査されたインターカレーション状態において、グラフェンのディラック・コーンが保持されていることが示され、フェルミ準位近くの線形分散の強靭性が裏付けられた。
• インターカレーションされたLi原子はMoS2とイオン結合を形成し、グラフェンのsp2ネットワークを損なわずに層状構造を安定化させた。
• 電子構造の進化を観察したところ、LiからMoS2への顕著な電荷移動が生じ、複合材料全体の電導度が変化することが明らかになった。
• 計算された安定性と電子的チューナビリティから、Gr/MoS2複合材料はリチウムイオン電池用の高容量アノードとして有望であると考えられる。