[논문 리뷰] MXenes as High Capacity Electrode Materials for Metal (Li, Na, K, Ca)-ion batteries

Dequan Er, Junwen Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 12.

MXene and MAX Phase Materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 다이아복합 이온 및 알칼리 금속 이온 이차전지의 고용량 음극 재료로 Ti₃C₂ MXene를 제안하기 위해 최초 원리 밀도함수이론을 사용한다. 이론적으로 Li, Na, K, Ca 이온은 Ti₃C₂에 강하게 흡착되며, 각각 639.5, 319.8, 191.8, 159.9 mAh g⁻¹의 용량을 보이며, Li는 이온 반경이 작아 표면 피복도에 민감도가 낮아 안정적인 고용량 성능을 보이며, 향후 세대 전지 음극 재료로서 큰 잠재력을 지닌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다이아복합 이온 및 알칼리 금속 이온 이차전지에 응용하기 위해 Ti₃C₂ MXene에서 Li, Na, K, Ca 이온의 흡착 거동을 평가하기 위해.
• 이온이 MXene 표면에 미치는 용량과 피복도 의존성의 정도를 규명하기 위해.
• 효율적 이온 반경 분석을 통해 이온 크기의 영향이 흡착 에너지 및 용량에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 현재 상용 리이온 이차전지 음극 재료와의 성능 비교를 위해.

제안 방법

• Ti₃C₂ MXene에서 이온 흡착을 모델링하기 위해 최초 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 용량 추세를 평가하기 위해 다양한 표면 피복 수준에서 흡착 에너지를 계산하였다.
• Li, Na, K, Ca의 효율적 이온 반경을 관측된 흡착 에너지 및 용량 변화와 연관지어 분석하였다.
• 각 이온이 Ti₃C₂ 표면에서 안정적으로 존재할 수 있는 최대 피복도 기반으로 용량 값을 계산하였다.
• 이온 결합 메커니즘을 이해하기 위해 전자 구조 및 전하 이동을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ti₃C₂ MXene에서 Li, Na, K, Ca 이온의 표면 피복도가 흡착 에너지에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 효율적 이온 반경과 Ti₃C₂에서의 흡착 용량 간의 관계는 무엇인가?
• RQ3 왜 Li는 다른 이온들에 비해 피복도 변화에 덜 민감한가?
• RQ4 Ti₃C₂의 Li, Na, K, Ca 이온 이차전지에 대한 이론적 용량은 얼마인가?
• RQ5 다이아복합 및 알칼리 금속 이온 시스템에서 MXene는 기존의 전통적 음극 재료와 비교해 어떤 성능을 보이는가?

주요 결과

• Ti₃C₂에서 Li의 이론적 용량은 639.5 mAh g⁻¹로, 기존의 그래파이트 음극보다 뚜렷이 높다.
• Na, K, Ca는 피복도가 증가할수록 흡착 에너지가 감소하며, 이는 이온 간 상호반발이 강해지는 것을 의미한다.
• Li는 작은 효율적 이온 반경으로 인해 피복도 변화에 대해 최소한의 민감도를 보이며, 안정적인 고용량 성능을 유지한다.
• Ti₃C₂에서 Na의 용량은 319.8 mAh g⁻¹이며, K와 Ca는 각각 191.8 및 159.9 mAh g⁻¹의 용량을 보인다.
• 관측된 용량 변화 추세는 이온의 효율적 이온 반경과 강하게 상관되며, 크기가 큰 이온일수록 상호반발이 증가하여 용량이 낮아지는 경향을 보인다.
• MXene는 다이아복합 및 알칼리 금속 이온 이차전지의 고용량 음극 재료로서 강력한 잠재력을 보이며, 현재 상용 음극 재료보다 이론적 용량에서 뛰어난 성능을 보인다.