[논문 리뷰] Phosphorene as an Anode Material for High Performance Lithium-Ion Battery: First Principle Study and Experimental Measurement

Congyan Zhang, George W. Anderson외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 01.

2D Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 전기화학적 특성 분석과 실험적 검증을 통해 루비드-기반 리튬 이온 배터리의 고성능 음극 재료로 인산화 흑연의 잠재성을 탐구한다. 초고속, 이방성 리튬 확산이 진동자 방향을 따라 발생하고, 이론적 용량은 865 mAh/g에 도달하며, 50회 사이클 후 실험 측정 결과 453 mAh/g의 용량을 기록하여 구조적 가역성과 고리튬화 수준에서도 리튬 클러스터링 없이 안정성을 보여준다 (x = 1).

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.

연구 동기 및 목표

• 리튬 이온 배터리의 고용량 음극 재료로서 인산화 흑연의 잠재력을 평가하기 위해.
• 인산화 흑연 표면에서 리튬 원자의 확산 동역학과 그 이방성 행동을 이해하기 위해.
• 인산화 흑연의 최대 리튬 저장 용량을 결정하고 리튬화 중 구조적 안정성을 평가하기 위해.
• 반복 사이클성과 용량 가역성 측정을 통해 이론적 예측을 실험적으로 검증하기 위해.

제안 방법

• 인산화 흑연 표면에서 리튬 흡착 에너지 분포를 계산하기 위해 일차 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 다양한 결정학적 방향(진동자 및 암체어)을 따라 리튬 확산 경로와 에너지 장벽을 매핑하였다.
• Li_xP_16 구조( x = 1에서 16까지)를 다양한 조합으로 평가하여 최대 리튬화 용량과 구조적 안정성을 결정하였다.
• 몇 겹의 인산화 흑연 네트워크를 대상으로 반복 사이클성과 용량 가역성을 측정하기 위해 실험 측정을 수행하였다.
• 계산 및 실험 데이터를 분석하여 리튬화 과정 중 구조적 변화를 평가하고, 가역성과 상분리 부재 여부를 확인하였다.
• 이론적 예측과 실험 결과를 비교하여 인산화 흑연가 고성능 음극으로서의 실현 가능성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리튬 원자가 인산화 흑연 표면에서 어떻게 확산되는가? 그리고 결정학적 방향에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 단일층 인산화 흑연의 최대 이론적 리튬 저장 용량은 얼마인가?
• RQ3 깊은 리튬화 상태(최대 Li16P16까지)에서 인산화 흑연의 구조적 안정성은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 인산화 흑연는 열화 또는 클러스터링 없이 다수의 사이클 동안 리튬의 삽입 및 탈리티를 유지할 수 있는가?
• RQ5 실험 결과가 이론적 예측의 용량과 안정성에 대해 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 인산화 흑연에서 진동자 방향으로의 리튬 확산 속도는 다른 방향보다 7~11개 주기 빠르며, 강한 이방성 확산 특성을 나타낸다.
• 단일층 인산화 흑연의 이론적 특별용량은 865 mAh/g에 도달하며, 이는 P 원자당 1개의 Li 원자에 해당하는 Li16P16에 해당한다.
• 몇 겹의 인산화 흑연에서의 실험 측정 결과, 50회 충·방전 사이클 후 약 453 mAh/g의 안정된 가역 용량을 기록하였다.
• 높은 리튬화 수준에서도 리튬 클러스터링이 관찰되지 않아 균일한 리튬화가 이루어짐을 시사한다 (예: x = 1에서 LixP).
• 리튬화 및 탈리티 과정에서 인산화 흑연의 구조는 가역적이며, 불가역적 상전이나 열화가 발생하지 않는다.
• 이론적 예측과 실험 결과 간의 높은 일치도는 인산화 흑연가 고성능 리튬 이온 배터리의 매우 유망한 음극 재료임을 확인한다.