[논문 리뷰] Shear-Exfoliated Phosphorene for Rechargeable Nanoscale Battery

Feng Xu, Binghui Ge외 14명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 29.

2D Materials and Applications참고 문헌 52인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 두꺼운 다층 흑phosphorene의 구조적 분해를 억제함으로써, 수층 수준의 배터리에서 안정적이고 가역적인 리튬 이온 저장을 가능하게 하는 소수층의 전단 분리 흑phosphorene를 입증한다. 현장 내 전자현미경(in situ TEM)을 통해 저자들은 두꺼운 다층 흑phosphorene가 전도도 손실로 인해 불가역적 분해를 겪는 반면, 초박막 흑phosphorene는 뛰어난 구조 복원성과 안정된 전기화학적 성능을 보이며, 단순한 전단 분리를 통한 대량 생산이 가능한 고성능 음극재로의 길을 열었다.

ABSTRACT

Discovery of atomically thin black phosphorus (called phosphorene) holds promise to be used as an alternative two-dimensional material to graphene and transition metal dichalcogenides especially as an anode material for lithium-ion batteries (LIBs). However, at present bulk black phosphorus (BP) still suffers from rapid capacity fading that results in poor rechargeable performance. Here, for the first time, we use in situ transmission electron microscopy (TEM) to construct nanoscale phosphorene LIBs and visualize the capacity fading mechanism in thick multilayer phosphorene by real time capturing delithiation-induced structural decomposition that reduces electrical conductivity and thus causes irreversibility of lithiated Li3P phase. We further demonstrate that few-layer phosphorene successfully circumvents the structural decomposition and holds superior structural restorability, even subjected to multi-cycle lithiation/delithiation processes and concomitant huge volume expansion. This finding affords new experimental insights into thickness-dependent lithium diffusion kinetics in phosphorene. Additionally, a scalable liquid-phase shear exfoliation route has been developed to produce high-quality ultrathin (monolayer or few-layer) phosphorene, only by a high-speed shear mixer or even a household kitchen blender with the shear rate threshold, which will pave the way for potential large-scale applications in LIBs once the rechargeable phosphorene nanoscale batteries can be transferred to industrialized enlargement in the future.

연구 동기 및 목표

• 리이온 배터리용 흑phosphorene 음극에서의 빠른 용량 감소 문제를 해결하기 위해.
• 두꺼운 다층 흑phosphorene에서 리튬화/탈리튬화 과정 중 구조적 및 전기적 열화 메커니즘을 조사하기 위해.
• 소수층 흑phosphorene를 안정적이고 고성능 음극재로 사용할 수 있음을 입증하기 위해.
• 고품질 초박막 흑phosphorene를 생산하기 위한 확장 가능한 저비용 액체상 전단 분리 방법을 개발하기 위해.
• 흑phosphorene 두께와 전기화학적 가역성 및 리튬 이동 메커니즘 간의 직접적 연관성을 설정하기 위해.

제안 방법

• 두꺼운 다층 흑phosphorene에서 탈리튬화 과정 중 실시간으로 발생하는 구조적 변화를 관찰하기 위해 현장 내 전자현미경(in situ TEM)을 사용하였다.
• 나노스케일 배터리 구성을 제작하여 나노스케일에서 전기화학적 과정을 실시간 관찰할 수 있도록 하였다.
• 고속 믹서 또는 심지어 가정용 믹서를 사용하여 액체상 전단 분리를 통해 소수층 흑phosphorene를 제조하였다.
• 효율적인 분리가 이루어지는 전단 속도의 임계값을 규명하여 대량 생산 가능성을 확보하였다.
• 두꺼운 다층 및 소수층 흑phosphorene 모두에 대해 다주기 리튬화/탈리튬화 시험을 실시하여 전기화학적 성능을 평가하였다.
• 전기화학적 가역성과 관련하여 구조 복원성 및 전도도 변화를 상관관계 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두꺼운 다층 흑phosphorene에서 리튬화/탈리튬화 사이클 중 불가역적 용량 감소의 원인은 무엇인가?
• RQ2 흑phosphorene 두께가 반복적인 리튬화 과정 중 구조 안정성과 전기적 전도도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 소수층 흑phosphorene는 전기화학적 사이클 중 큰 부피 팽창 조건에서도 구조적 안정성과 가역성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 현장 내 전자현미경(in situ TEM)은 흑phosphorene 음극에서 실시간 열화 메커니즘을 밝혀내는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 확장 가능한 전단 분리 방법을 통해 얼마나 높은 품질의 초박막 흑phosphorene를 생산할 수 있는가?

주요 결과

• 두꺼운 다층 흑phosphorene는 탈리튬화 과정에서 구조적 분해가 발생하여 전도도가 급격히 감소하고 용량 감소가 발생한다.
• 소수층 흑phosphorene는 다수의 리튬화/탈리튬화 사이클 후에도 뛰어난 구조 복원성을 보이며, 높은 전기화학적 가역성을 유지한다.
• 현장 내 전자현미경(in situ TEM) 관찰을 통해 두꺼운 흑phosphorene에서의 구조 분해가 리튬화 과정에서 Li3P 상 형성의 주요 원인임을 규명하였다.
• 고속 믹서 또는 가정용 믹서를 사용하여 고품질의 소수층 흑phosphorene를 생산할 수 있는 확장 가능한 액체상 전단 분리 방법을 개발하였다.
• 효율적인 분리가 이루어지는 전단 속도의 임계값을 규명하여 저비용, 대량 생산이 가능한 초박막 흑phosphorene 제조를 가능케 하였다.
• 소수층 흑phosphorene는 두께에 따라 변화하는 전자적 및 구조적 특성 덕분에 유리한 리튬 이동 메커니즘을 보였다.