強い硫黄炭素相互作用とリチウム硫黄バッテリーカソードの硫黄還元ゾーンの強化による多層グラフェンドメインの形成

新しく設計された硫黄/グラフェン計算モデルは、Li-Sバッテリーカソードの電気化学的挙動をエミュレートし、グラフェンシートのエッジを介したS-C相互作用を促進します。小さなグラフェンシートと混合された8員硫黄リングのランダムな混合物は、64重量％硫黄負荷でシミュレートされます。構造安定化と硫黄還元の計算は、古典的な反応性分子ダイナミクスで実行されます。この方法論により、硫黄構造とグラフェン構造の集合的な行動を説明することができました。硫黄のカプセル化はリングの開口部を誘発し、硫黄相はグラフェンエッジを介してCと相互作用する小さな鎖のような構造の分布に進化します。硫黄相のこの新しい配置は、硫黄削減中の顕著な体積膨張につながるだけでなく、微小炭素構造における硫黄カプセル化に関する以前の報告と定性的な一致で、異なる排出電圧プロファイルにもつながります。Li2 S相は、硫黄還元中の平行グラフェンナノシートのアンサンブルの周りで成長します。グラフェンナノシート間の硫黄またはリチウムの拡散は観察されず、カーボンアンサンブル間の空間を架橋する拡張Li2Sドメインは抑制されます。結果は、複合材料の電気化学的性能に対する形態の重要性を強調しています。ここで概説する硫黄/グラフェンモデルは、硫黄還元挙動に対するグラフェンの効果と、硫黄還元中の多層グラフェンアンサンブルと小型Li2 Sドメインの形成を促進する際にファンデルワールス相互作用が果たす役割についての新たな理解を提供します。

A newly designed sulfur/graphene computational model emulates the electrochemical behavior of a Li-S battery cathode, promoting the S-C interaction through the edges of graphene sheets. A random mixture of eight-membered sulfur rings mixed with small graphene sheets is simulated at 64 wt %sulfur loading. Structural stabilization and sulfur reduction calculations are performed with classical reactive molecular dynamics. This methodology allowed the collective behavior of the sulfur and graphene structures to be accounted for. The sulfur encapsulation induces ring opening and the sulfur phase evolves into a distribution of small chain-like structures interacting with C through the graphene edges. This new arrangement of the sulfur phase not only leads to a less pronounced volume expansion during sulfur reduction but also to a different discharge voltage profile, in qualitative agreement with earlier reports on sulfur encapsulation in microporous carbon structures. The Li2 S phase grows around ensembles of parallel graphene nanosheets during sulfur reduction. No diffusion of sulfur or lithium between graphene nanosheets is observed, and extended Li2 S domains bridging the space between carbon ensembles are suppressed. The results emphasize the importance of morphology on the electrochemical performance of the composite material. The sulfur/graphene model outlined here provides new understanding of the graphene effects on the sulfur reduction behavior and the role that van der Waals interactions may play in promoting formation of multilayer graphene ensembles and small Li2 S domains during sulfur reduction.