[論文レビュー] Phosphorene as an Anode Material for High Performance Lithium-Ion Battery: First Principle Study and Experimental Measurement

Congyan Zhang, George W. Anderson+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2016

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算と実験的検証を用いて、リンパラジン酸化物をリチウムイオン電池の高効率アノード材料として評価した。超高速で異方的（アノード方向に沿った）リチウム拡散が確認され、理論的容量は865 mAh/gに達すると予測された。実験的測定では50サイクル後に453 mAh/gの容量が達成され、高リチウム化度（x = 1）でもリチウムクラスタリングが発生せず、構造的可逆性が示された。

ABSTRACT

The prospects of phosphorene as an anode material for high performance Li-ion battery was systematically investigated from the first principle calculations and experimental measurements. The diffusion energy barriers of a Li atom moving along various orientations on phosphorene layer were calculated from the Li adsorption energy landscape. It was found that the diffusion mobility of a Li atom along the zigzag direction in the valley of phosphorene could be about 7 to 11 orders of magnitude faster than that along the other directions, indicating its ultrafast and anisotropic diffusivity. The lithium insertion in phosphorene was studied considering various LinP16 configurations (n=1~16). It was found that phosphorene could accommodate up to one Li per P atom (i.e., Li16P16), and the predicted theoretical value of the Li capacity for a single layered phosphorene can reach about 865 mAh/g. Our experimental measurement on the Li capacity for a network of a few layered phosphorene can reach a reversible stable value of ~ 453 mAh/g even after 50 cycles. In particular, it was found that, even at the high Li concentration (e.g., x = 1 in LixP), there was no Li clustering and the structure of phosphorene is reversible during the lithium intercalation. Our results clearly show that phosphorene has promise as a novel anode material for high performance Li-ion batteries.

研究の動機と目的

• リンパラジン酸化物がリチウムイオン電池用の高容量アノード材料として有効であるかを評価すること。
• リンパラジン酸化物表面におけるリチウム原子の拡散ダイナミクスとその異方的挙動を理解すること。
• リンパラジン酸化物の最大リチウム貯蔵容量を特定し、リチウム化過程における構造的安定性を評価すること。
• 可逆容量およびサイクル安定性の実験的測定を通じて理論的予測を検証すること。

提案手法

• リンパラジン酸化物上でのリチウム吸着エネルギーの分布を計算するために、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• リンパラジン酸化物内の異なる結晶学的方向（ジグザグ方向およびアームチェア方向）に沿ったリチウム拡散経路とエネルギー障壁をマッピングした。
• Li_xP_16構造（x = 1～16）をさまざまな条件下で評価し、最大リチウム化容量および構造的安定性を特定した。
• 少数層リンパラジン酸化物ネットワークを用いた実験的測定により、可逆リチウム容量およびサイクル性能を評価した。
• 計算的および実験的データを統合してリチウム化過程における構造的変化を分析し、可逆性および相分離の有無を評価した。
• 理論的予測と実験結果を比較することで、リンパラジン酸化物が高効率アノードとして実現可能であることを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リンパラジン酸化物上でのリチウム原子の拡散行動はどのようなものか。結晶学的方向によってどのように変化するか。
• RQ2 単層リンパラジン酸化物の最大理論的リチウム貯蔵容量はどの程度か。
• RQ3 深リンパラジン酸化物リチウム化（Li16P16まで）の過程で、リンパラジン酸化物の構造的完全性はどのように変化するか。
• RQ4 リンパラジン酸化物は、劣化やクラスタリングを示さずに、複数サイクルにわたりリチウムの挿入・脱挿入を維持できるか。
• RQ5 実験的結果は、第一原理的予測の容量および安定性について、どの程度一致しているか。

主な発見

• リンパラジン酸化物におけるジグザグ方向へのリチウム拡散は、他の方向に比べ7〜11桁速く、顕著な異方的拡散性を示している。
• 単層リンパラジン酸化物の理論的比容量は、1P原子あたり1個のLi原子に対応するLi16P16とすると865 mAh/gに達する。
• 少数層リンパラジン酸化物の実験的測定では、50回の充放電サイクル後に安定した可逆容量約453 mAh/gが達成された。
• 高リチウム化度（例：x = 1のLixP）でもリチウムクラスタリングが観察されず、均一なリチウム化が実現していることが示された。
• リンパラジン酸化物の構造はリチウム化および脱リチウム化過程で可逆的であり、不可逆的相転移や劣化は発生しなかった。
• 理論的予測と実験的結果の強い一致から、リンパラジン酸化物が高効率リチウムイオン電池用に極めて有望なアノード材料であることが確認された。