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概要

Li-S電池用のグラフェン材料調査

充放電による繰り返し使用が可能という特徴をもつ二次電池には多くの種類があり、その中にはリチウム-硫黄電池(Li-S電池)と呼ばれるものがあります。 しかし、このLi-S電池は高い理論的容量を持つ特徴を持っているにもかかわらず、電池内に含まれる多硫化リチウム中間体の拡散や溶解などという問題も有しております。
本論文では、カソードには窒素と金属がドープされたグラフェンを使用することで、多硫化リチウム中間体に対する金属部分への吸着エネルギーを解析しております。

keyword

  • リチウム-硫黄電池：高い理論容量と、硫黄の原子量の小ささが原因の軽量さが特徴である、二次電池の一種です。
  • 多硫化リチウム中間体：本ページではポリスルフィド(Li2Sn, n = 2, 4, 6, 8)を指しています。
    これは充放電プロセスによって生成され、シャトル効果(各電極間における酸化還元反応を表します)の原因となります。

    • Reference

  • T. Zhang, et al., Diamond and Related Materials, 90, 72(2018).

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    手法

    計算モデルと手法

    多硫化リチウム化合物の吸着エネルギーは、 「ELi2Sn + EAM - ELi2Sn/AM」 と表すことができます。
    そこで、この式に当てはまる構造のエネルギー計算を行うことで吸着エネルギーを求めました。
    加えて、複数のポリスルフィドやグラフェン上の金属原子のパターンに対して同様の計算を行い比較することで、ポリスルフィドの硫黄数と吸着エネルギーの関係性などを比較しました。
    こちらの論文内でのシミュレーションには、量子力学計算に幅広い計算対象を取ることが出来るDMol3モジュールを使用しております。

    keyword

  • ELi2Sn：多硫化リチウムのエネルギー値を表しております。
  • EAM：窒素と金属がドープされたグラフェンのエネルギー値を表しております。
  • ELi2Sn/AM：多硫化リチウムがグラフェンへ吸着した系全体のエネルギー値を表しております。
  • DMol3：分子と固体の両方を扱う量子力学モジュールです。500原子を超える大規模系への適用も可能です (データシート参照)。

    • 結果

    求められた物性値の考察

    上に様々なLi2Sn/AMのPDOSとエネルギーを示しました。
    まず初めに、左のPDOSではCo-3d軌道とS-3p軌道との間には強い重なりがあり、 このことからポリスルフィドとCo-N4/graphene間には強い相互作用があることが示唆されています。
    次に、ポリスルフィドの鎖長や金属を変化させた場合の相互作用の変化を表したプロットを右に示します。
    このプロットからは、調査した各種金属のうちCr、Fe、Mn、Cuが使用された場合にはポリスルフィドとCo-N4/graphene間には強い相互作用があること、 ポリスルフィドの鎖長が短くなればより相互作用が強まることが観察されます。

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