[논문 리뷰] Defective graphene as promising anode material for Na-ion battery and Ca-ion battery

Dibakar Datta, Junwen Li외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 17.

Advancements in Battery Materials인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 특히 이공백(DV) 및 스톤-울스(SW) 결함을 가진 결함 있는 그래핀이 나트륨(Na) 및 칼슘(Ca) 이온을 강하게 흡착시켜 나트륨 이온 및 칼슘 이온 배터리의 뛰어난 양극 재료가 될 수 있음을 보여준다. 향상된 흡착 능력은 결함으로 인한 전하 이동 증가로 인해 발생하며, 최대 DV 결함 농도에서 이론적 용량은 나트륨 이온 배터리의 경우 최대 1459 mAh/g, 칼슘 이온 배터리의 경우 최대 2900 mAh/g에 도달한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 결함 있는 그래핀이 나트륨 이온 및 칼슘 이온 배터리의 양극 재료로서 실현 가능성을 조사하기 위해.
• 특정 결함인 이공백(DV) 및 스톤-울스(SW)가 순수한 그래핀에 비해 이온 흡착을 어떻게 향상시키는지 이해하기 위해.
• 결함 있는 그래핀이 나트륨 이온 및 칼슘 이온 배터리에서 달성 가능한 최대 이론적 용량을 정량화하기 위해.
• 결함 농도와 흡착 에너지 및 용량 간의 상관관계를 분석하여 양극 성능을 최적화하기 위해.
• 다양한 밸런스 이온 배터리용 고용량, 안정된 양극 재료 설계를 위한 이론적 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• 나트륨(Na) 및 칼슘(Ca) 이온이 순수한 그래핀, 이공백(DV), 스톤-울스(SW) 결함이 있는 그래핀 시트에 흡착되는 것을 모의하기 위해 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 전자 구조 분석을 통해 광물질(나트륨, 칼슘)과 결함이 있는 그래핀 간의 전하 이동을 분석하였다.
• 흡착 에너지 및 결합 구조를 평가하여 이온 흡착의 열역학적 유리함을 판단하였다.
• 용량 스케일링을 평가하기 위해 최대 가능 한계까지 결함 농도를 체계적으로 증가시켰다.
• 이온 결합 에너지 및 이론적 용량 측면에서 DV 및 SW 결함의 성능을 비교하였다.
• 계산된 총 에너지 변화를 사용하여 양극 재료의 이론적 특이 용량을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수한 그래핀에서는 나트륨 및 칼슘 이온이 효과적으로 흡착될 수 있는가, 아니면 결함 공학이 필수적인가?
• RQ2 이공백(DV) 및 스톤-울스(SW) 결함이 나트륨 및 칼슘 이온의 흡착 에너지와 전하 이동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 결함 있는 그래핀에서 나트륨 이온 및 칼슘 이온 배터리의 최대 이론적 용량은 얼마인가?
• RQ4 결함 농도를 높일수록 이온 흡착 용량과 안정성은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 다양한 밸런스 이온 배터리에서 DV 또는 SW 중 어떤 결함 유형이 더 높은 용량과 유리한 이온 결합을 제공하는가?

주요 결과

• 순수한 그래핀에서는 전하 이동이 극히 미미하여 나트륨 및 칼슘 이온의 흡착이 에너적으로 불리하다.
• 이공백(DV) 및 스톤-울스(SW)와 같은 결함은 광물질에 대한 전하 이동 증가로 인해 이온 흡착 능력을 크게 향상시킨다.
• 최대 가능한 이공백(DV) 결함 농도에서 이론적 용량은 나트륨 이온 배터리의 경우 1459 mAh/g, 칼슘 이온 배터리의 경우 2900 mAh/g에 도달한다.
• 스톤-울스(SW) 결함으로 완전히 덮인 그래핀의 경우 이론적 용량은 나트륨 이온 배터리의 경우 1071 mAh/g, 칼슘 이온 배터리의 경우 2142 mAh/g이다.
• 결함 농도가 증가함에 따라 용량은 특정 한계까지 증가하며, 이는 결함 농도와 이온 저장 능력 간의 강한 상관관계를 시사한다.
• 결과적으로 그래핀의 결함 공학은 다가역 이온 배터리용 고용량, 향상된 사이클링 성능을 가진 양극 재료를 도출할 수 있음을 시사한다.