[論文レビュー] Shear-Exfoliated Phosphorene for Rechargeable Nanoscale Battery

Feng Xu, Binghui Ge+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2015

2D Materials and Applications参考文献 52被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、リチウムイオンの充放電サイクル中に構造分解を抑制することで、数層のせん断剥離リンパルはナノスケールのリチウムイオン電池において安定的で可逆的なリチウムイオンの貯蔵を可能にすることを示している。イン・サイトTEMを用いて、厚い多層リンパルは電気伝導度の損失により不可逆的劣化を示すのに対し、超薄膜リンパルは優れた構造的回復性と安定した電気化学的性能を示すことが判明し、単純なせん断剥離によってスケーラブルで高性能なアノードの実現に道を拓いた。

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.

研究の動機と目的

• リチウムイオン電池用のバルク黒リンアノードにおける急速な容量低下を解決すること。
• 厚い多層リンパルにおけるリチウム化／脱リチウム化過程における構造的および電気的劣化機構を調査すること。
• 数層リンパルを安定的で高性能なアノード材料として利用可能であることを実証すること。
• 高品質な超薄膜リンパルを生産するためのスケーラブルで低コストな液相せん断剥離法を開発すること。
• リンパルの厚さとその電気化学的可逆性およびリチウム拡散キネティクスとの直接的な関連を確立すること。

提案手法

• 厚い多層リンパルにおける脱リチウム化過程中の構造的変化をリアルタイムで可視化するため、イン・サイトTEMが用いられた。
• ナノスケールのバッテリ構成が作成され、ナノスケールでの電気化学的プロセスをイン・サイトTEMで観察可能となった。
• 高速ミキサー、あるいは家庭用ブレンダーを用いて、液相せん断剥離により数層リンパルを生成した。
• 効果的な剥離を実現するためのせん断速度のしきい値が同定された。
• 厚いリンパルおよび数層リンパルの両方について、多サイクルリチウム化／脱リチウム化試験を通じて電気化学的性能が評価された。
• 構造的回復性および電気伝導度の変化が、電気化学的可逆性と関連づけられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 厚い多層黒リンにおけるリチウム化／脱リチウム化サイクル中に、不可逆的容量低下を引き起こす要因は何ですか？
• RQ2 リンパルの厚さが、繰り返しのリチウム化過程における構造的安定性および電気伝導度にどのように影響するでしょうか？
• RQ3 数層リンパルは、電気化学的サイクル中に大きな体積膨張を示しても、構造的整合性と可逆性を維持できるでしょうか？
• RQ4 イン・サイトTEMは、リンパルアノードにおけるリアルタイムの劣化機構をどのように解明する役割を果たすでしょうか？
• RQ5 スケーラブルなせん断剥離法が、高性能バッテリに適した高品質な超薄膜リンパルをどの程度まで生産可能にするでしょうか？

主な発見

• 厚い多層リンパルは、脱リチウム化過程で不可逆的な構造的分解を経験し、電気伝導度の著しい低下と容量の減少を引き起こす。
• 数層リンパルは、多数のリチウム化／脱リチウム化サイクルを経ても優れた構造的回復性を示し、高い電気化学的可逆性を維持する。
• イン・サイトTEMの観察により、厚いリンパルにおける構造的分解が、Li3P相形成における不可逆性の主な原因であることが明らかになった。
• 高速ミキサーまたは家庭用ブレンダーを用いて、高品質な数層リンパルを生成するためのスケーラブルな液相せん断剥離法が開発された。
• 効果的な剥離を実現するためのせん断速度のしきい値が同定され、低コストで大規模生産が可能な超薄膜リンパルの製造が可能になった。
• 数層リンパルは、その厚さに依存する電子的および構造的特性のおかげで、好ましいリチウム拡散キネティクスを示す。