[논문 리뷰] Lithium Intercalation in Graphene/MoS2 Composites: First-Principles Insights

Xiji Shao, Kedong Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 22.

Graphene research and applications참고 문헌 48인용 수 5

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 연구는 반데발스 힘 보정을 적용한 밀도함수이론을 사용하여 그래핀/다이아르세나이드 모리브데넘(Gr/MoS2) 복합체에서 리튬 인터칼레이션을 조사한다. 연구 결과, 리튬 인터칼레이션 수준이 높아질수록 리튬 원자당 결합 에너지가 증가하여 높은 저장 용량을 가능하게 하며, 그래핀에서 160 meV까지 조절 가능한 밴드 갭이 열리고, 이온성 리튬 결합에도 불구하고 디라크 콘은 유지됨을 밝혀냈다.

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.

연구 동기 및 목표

• 그래핀/MoS2 복합체에서 리튬 인터칼레이션의 원자 척도 메커니즘을 이해하기 위해.
• Gr/MoS2 시스템에서 실험적으로 관측된 높은 리튬 저장 용량을 설명하기 위해.
• 리튬 인터칼레이션에 따른 그래핀의 전자 구조 변화를 조사하기 위해.
• 이온성 리튬 인터칼레이션 중 그래핀의 디라크 콘 구조가 유지되는지 여부를 규명하기 위해.
• 리이온 배터리 응용을 위한 Li-인터칼레이티드 Gr/MoS2의 안정성 및 전자적 성질에 대한 이론적 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 그래핀과 MoS2 이중층 구조 간의 상호작용을 모의하기 위해 반데발스 힘 보정을 적용한 밀도함수이론(DFT)을 사용하였다.
• 그래핀과 MoS2 계면에 1에서 9개의 리튬 원자를 포함한 인터칼레이션 구조를 체계적으로 조사하였다.
• 인터칼레이션 상의 열역학적 안정성을 평가하기 위해 리튬 원자당 결합 에너지를 계산하였다.
• 그래핀의 밴드 갭 열림과 디라크 콘의 유지 여부를 평가하기 위해 전자 밴드 구조를 분석하였다.
• 가장 안정한 인터칼레이션 구조를 결정하기 위해 총 에너지 계산을 수행하였다.
• 그래핀과 MoS2 계면 간의 약한 반데발스 상호작용를 정확히 기술하기 위해 DFT+D3 분산 보정을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Gr/MoS2 복합체에서 높은 리튬 저장 용량의 근본 원인은 무엇인가?
• RQ2 리튬 인터칼레이션은 복합체 내 그래핀의 전자 밴드 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 리튬 인터칼레이션에 의해 그래핀의 디라크 콘은 어느 정도 유지되는가?
• RQ4 인터칼레이션 수준이 증가함에 따라 리튬 원자당 결합 에너지는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 Gr/MoS2에서 제어된 리튬 인터칼레이션을 통해 그래핀의 밴드 갭을 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 인터칼레이션된 리튬 원자 수가 증가할수록 리튬 원자당 결합 에너지가 증가하여 Gr/MoS2 복합체의 높은 리튬 저장 용량을 설명한다.
• 리튬 인터칼레이션에 의해 그래핀에서 밴드 갭이 열리며, 아홉 개의 인터칼레이션 리튬 원자를 포함할 경우 최대 160 meV에 이른다.
• 모든 연구된 인터칼레이션 상태에서 그래핀의 디라크 콘은 유지되어, 페르미 수준 근처에서 선형 분산의 강건성을 시사한다.
• 인터칼레이션된 리튬 원자들은 MoS2와 이온 결합을 형성하여 계면 구조를 안정화시키며, 그래핀의 sp2 네트워크를 손상시키지 않는다.
• 전자 구조 변화 분석 결과, 리튬에서 MoS2로의 전하 이동이 유의미하게 발생하여 복합체의 전체 전도도가 변화함을 보였다.
• 계산된 안정성과 전자 구조 조절 가능성으로 인해, Gr/MoS2 복합체는 리이온 배터리의 고용량 애노드로서 유망한 잠재력을 지닌다.