[论文解读] Lithium Intercalation in Graphene/MoS2 Composites: First-Principles Insights

Xiji Shao, Kedong Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Graphene research and applications参考文献 48被引用 5

一句话总结

本项从头算研究采用考虑范德华力的密度泛函理论，探究了石墨烯/二硫化钼（Gr/MoS2）复合材料中的锂插层行为。研究发现，随着锂插层量的增加，单位锂原子的结合能提高，从而实现高储锂容量；在石墨烯中诱导出可调的带隙，最大可达160 meV；且尽管存在离子型锂键合，石墨烯的狄拉克锥仍得以保持。

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.

研究动机与目标

• 理解石墨烯/MoS2复合材料中锂插层的原子尺度机制。
• 解释实验观测到的Gr/MoS2体系中高锂储容量的原因。
• 研究石墨烯在锂插层过程中的电子结构演化。
• 确定石墨烯的狄拉克锥在离子型锂插层过程中是否得以保持。
• 为锂插层石墨烯/MoS2复合材料在电池应用中的稳定性与电子性质提供理论见解。

提出的方法

• 采用考虑范德华力的密度泛函理论（DFT）模拟锂原子与Gr/MoS2异质结之间的相互作用。
• 系统研究了石墨烯与MoS2层之间插入n = 1至9个锂原子的插层构型。
• 计算单位锂原子的结合能，以评估插层相的热力学稳定性。
• 分析电子能带结构，评估石墨烯中带隙的打开情况以及狄拉克锥的保持状态。
• 通过总能计算确定最稳定的插层构型。
• 应用DFT+D3色散校正，以准确描述石墨烯与MoS2层之间的弱范德华相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 Gr/MoS2复合材料中高锂储容量的根源是什么？
• RQ2 锂插层如何影响复合材料中石墨烯的电子能带结构？
• RQ3 锂插层后，石墨烯的狄拉克锥在多大程度上得以保持？
• RQ4 随着插层水平的提高，单位锂原子的结合能如何变化？
• RQ5 能否通过在Gr/MoS2中可控锂插层来调节石墨烯的带隙？

主要发现

• 单位锂原子的结合能随插层锂原子数的增加而提高，解释了Gr/MoS2复合材料的高锂储容量。
• 锂插层使石墨烯中打开带隙，当插入九个锂原子时，带隙最大可达160 meV。
• 在所有研究的插层状态下，石墨烯的狄拉克锥均得以保持，表明其在费米能级附近的线性色散具有强鲁棒性。
• 插层的锂原子与MoS2形成离子键，稳定了层状结构，且未破坏石墨烯的sp2网络。
• 电子结构演化表明，锂插层诱导了显著的电荷转移，电子从锂向MoS2转移，从而改变复合材料的整体电导率。
• 计算结果表明其稳定性和电子可调性，表明Gr/MoS2复合材料在锂离子电池高容量负极材料中具有广阔前景。