리튬-황 전지의 양극재료로서 질소도핑 그래핀의 셔틀효과 억제 기제에 대한 제일원리계산

Abstract

본 연구에서는 밀도범함수 이론을 통해 질소도핑 그래핀이 리튬-황 전지의 양극 재료로 사용될 때 일어나는 현상과 그로 인한 효과에 대해 알아보았다. 질소도핑 그래핀은 리튬-황 전지에서 발생하는 문제점인 셔틀효과를 막기 위한 앵커링 재료로 사용이 되고 있다. 하지만 질소도핑 그래핀은 리튬과의 강한 결합력으로 인해 리튬이 풍부한 전지 내부 환경에서 활성점에 리튬이 포획된 상태로 존재 할 것이다. 이러한 리튬이 포획된 질소도핑 그래핀 (Li-trapped N-doped graphene, LiNG)은 제일원리 열역학 계산을 통해 전지 구동 중 이 형태를 유지할 것으로 확인 되었다. 리튬 포획 현상은 질소도핑 그래핀의 표면 상태를 변형시켜 리튬다황화물이 적절한 에너지 범위 내에서 흡착이 되게 하므로, 리튬-황 전지에서 발생하는 문제점인 셔틀효과를 효과적으로 막아줄 것이다. 또한 리튬이 포획되지 않은 질소도핑 그래핀의 앵커링 반응도 살펴 봤는데, 이때는 질소도핑 그래핀과 리튬다황화물 사이의 이온 결합 세기가 매우 강하게 나타나면서 분자 구조의 변형을 초래했다. 질소 도핑 그래핀을 리튬-황 전지의 양극 재료로 사용할 때 좋은 특성을 갖는다고 알려져 있는 실험 결과에 반하는 이러한 계산 결과는, 실제 실험에서 관측되지 않은 어떤 현상에 의해 재료의 특성이 변화했고, 본 연구의 결과를 통해 이 현상이 리튬 포획현상이라 추정할 수 있다.; As a cathode material for lithium-sulfur battery, nitrogen-doped graphene (NG) functions in the form of lithium-trapped nitrogen-doped graphene (LiNG) due to strong interaction between NG and lithium ion. The stability of this structure during the battery operation is investigated through ab-initio thermodynamics. It was confirmed that trapped lithium will not be dissociated under electric potential applied circumstance. Lithium-trapping affects to the anchoring properties of NG and these effects are investigated thorough density functional theory calculation. Lithium-trapping weakens the ionic attraction between NG and lithium polysulfide (LiPS), thereby avoiding decomposition of the LiPS molecule on NG. However, the binding energies between LiNG and LiPSs are larger than the binding energies between LiPS molecules and electrolyte molecules, therefore, LiNG can prevent the dissolution of LiPS into the electrolyte. In other words, lithium-trapping enables NG to be used as an anchoring material for lithium-sulfur batteries and this finding provides a further understanding of shuttle inhibiting mechanism of NG.