グラフェン上の欠陥媒介Li吸着の第一原理分析

リオン電池での用途向けの単一層グラフェンの可能な有用性を評価するために、広範囲のリチウム被覆のために点と拡張欠陥の両方で、グラフェンシートで一連の周期密度官能理論（DFT）計算が実行されます。最近の報告と一致して、欠陥のない単層グラフェンへのLi吸着は、バルク金属Liと比較して熱力学的に好ましいことではないことがわかりました。ただし、欠陥によって活性化されたグラフェン表面は、一般にLiをより強く結合することがわかり、相互作用強度は欠陥の性質とその密度の両方に敏感です。二重空孔欠陥は、石西部の欠陥と比較してLIとのより強い相互作用を持つことがわかっており、欠陥密度の増加は、石西部の欠陥のLIとの相互作用も促進することがわかっています。グラフェン上の1次元の拡張欠陥とのLIの相互作用は、さらに強力であることがわかっており、Li吸着の増加につながります。これらのデータの厳密な熱力学的分析により、障害のあるグラフェン構造の理論的LI貯蔵容量が確立されます。場合によっては、これらの容量はグラファイトの容量を超えていませんが、近づくことがわかります。この結果は、グラフェンの欠陥との吸着性相互作用の基本的な物理学に関する新しい洞察を提供し、グラフェンの慎重な欠陥エンジニアリングは、最終的に、リチウムイオンバッテリーアプリケーションに適した能力のアノード電極を提供する可能性があることを示唆しています。

To evaluate the possible utility of single layer graphene for applications in Li ion batteries, an extensive series of periodic density functional theory (DFT) calculations are performed on graphene sheets with both point and extended defects for a wide range of lithium coverages. Consistent with recent reports, it is found that Li adsorption on defect-free single layer graphene is not thermodynamically favorable compared to bulk metallic Li. However, graphene surfaces activated by defects are generally found to bind Li more strongly, and the interaction strength is sensitive to both the nature of the defects and their densities. Double vacancy defects are found to have much stronger interactions with Li as compared to Stone-Wales defects, and increasing defect density also enhances the interaction of the Stone-Wales defects with Li. Li interaction with one-dimensional extended defects on graphene is additionally found to be strong and leads to increased Li adsorption. A rigorous thermodynamic analysis of these data establishes the theoretical Li storage capacities of the defected graphene structures. In some cases, these capacities are found to approach, although not exceed, those of graphite. The results provide new insights into the fundamental physics of adsorbate interactions with graphene defects and suggest that careful defect engineering of graphene might, ultimately, provide anode electrodes of suitable capacity for lithium ion battery applications.