[論文レビュー] MXenes as High Capacity Electrode Materials for Metal (Li, Na, K, Ca)-ion batteries

Dequan Er, Junwen Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2013

MXene and MAX Phase Materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、第一原理的密度汎関数理論を用いて、多価およびアルカリ金属イオン二次電池用の高容量アノード材料としてのTi₃C₂ MXeneの特性を調査した。Li、Na、K、CaイオンはTi₃C₂に強く吸着し、それぞれ639.5、319.8、191.8、159.9 mAh g⁻¹の容量を示した。Liはイオン半径が小さいため、被覆依存性が最小限に抑えられ、次世代電池アノードへの強い可能性を示している。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) materials can have an excellent capability to handle high rates of charge in ion batteries since metal ions need not diffuse in a 3D lattice structure. However graphene, which is the most important 2D material, is known to have no Li capacity. Herein, adsorption of Li, as well as Na, K, and Ca on Ti$_3$C$_2$, one representative MXene, is predicted by first-principles density functional calculations. In our study, we observed that these alkali ions exhibit different adsorption energy depending on the coverage. The adsorption energies of Na, K and Ca decrease as coverage increases, while Li shows little sensitivity to variance in coverage. This observed relationship between adsorption energies and coverage of alkali ions on Ti$_3$C$_2$ can be explained by their effective ionic radii. A larger effective ionic radius increases interaction between alkali atoms, thus lower capacity and coverage are obtained. Our calculated capacity values for Li, Na, K and Ca on Ti$_3$C$_2$ are 639.5, 319.8, 191.8 and 159.9 mAh g$^{-1}$, respectively. Compared to materials currently used in Li ion battery anodes, MXene shows great promise in increasing overall battery performance.

研究の動機と目的

• 多価およびアルカリ金属イオン二次電池への応用を目的として、Li、Na、K、CaイオンがTi₃C₂ MXene上にどのように吸着するかを評価すること。
• これらのイオンがMXene表面に与える被覆依存性と容量を特定すること。
• イオンのサイズが吸着エネルギーと容量に与える影響を、有効イオン半径の分析を通じて理解すること。
• 現在の商業的リチウムイオン電池アノード材料と比較して、MXeneの性能を評価すること。

提案手法

• Li、Na、K、CaイオンのTi₃C₂ MXene上への吸着をモデル化するために、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• 容量の傾向を評価するために、異なる表面被覆率での吸着エネルギーを計算した。
• Li、Na、K、Caの有効イオン半径を、観察された吸着エネルギーおよび容量の変動と関連付けた。
• 各イオンがTi₃C₂表面に安定して存在できる最大被覆率に基づいて、容量値を計算した。
• イオン結合のメカニズムを理解するために、電子構造および電荷移動の分析を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Li、Na、K、Caイオンの被覆率がTi₃C₂ MXene上での吸着エネルギーにどのように影響するか？
• RQ2 有効イオン半径とTi₃C₂上での吸着容量の関係は何か？
• RQ3 なぜLiは他のイオンと比べて被覆変化に対して感受性が低いのか？
• RQ4 Ti₃C₂のLi、Na、K、Caイオン電池における理論的容量は何か？
• RQ5 多価およびアルカリ金属イオン系において、MXeneは従来のアノード材料と比較してどの程度の容量を示すか？

主な発見

• Liの理論的容量は639.5 mAh g⁻¹であり、従来のグラファイトアノードよりも顕著に高い。
• Na、K、Caは被覆率が増加するにつれて吸着エネルギーが低下し、イオン間の反発が強いことが示唆された。
• Liは有効イオン半径が小さいため、被覆変化に対して感受性が最小限に抑えられ、安定した高容量性能を示した。
• Naの容量は319.8 mAh g⁻¹であり、KとCaはそれぞれ191.8および159.9 mAh g⁻¹の容量を示した。
• 観察された容量の傾向は、イオンの有効イオン半径と強く相関しており、大きなイオンは反発が強くなるため、容量が低くなる傾向を示した。
• MXeneは、多価およびアルカリ金属イオン二次電池用の高容量アノード材料として強く有望であり、理論的容量において現在の商業アノードを上回る性能を示した。