KR101468542B1 - Anode material with graphynes, and a lithium ion battery having the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그래파인을 이용한 리튬전지용 음극물질에 관한 것으로, sp-결합 및 sp 2 -결합의 탄소 원자의 2차원 레이어인 그래파인은 큰 표면적을 가짐으로써 효과적인 에너지 저장 물질로 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 제일원리 밀도범함수 계산을 통하여 Li 포텐셜 에너지는 음극물질로 사용될 수 있는 적당한 에너지 범위를 가질 수 있으며, Li 층간삽입된 다층 α-그래파인과 γ-그래파인 복합체의 구조는 C6Li3로서, 비용량에 있어서 흑연과 대비하여 대략 3배의 크기를 갖는 1117 mAh/g를 갖는다. 또한 Li 층간삽입된 다층 -그래파인과 γ-그래파인 복합체의 체적용량은 각각 1364 mAh/㎤와 1589 mAh/㎤에 해당하여 흑연의 체적용량인 818 mAh/㎤와 비교하여 상당히 커서 리튬전지용 음극물질로서 이용될 수 있다.So that the present invention is combined, sp- related to the lithium cell anode material with fine and sp 2 - Yes, two-dimensional layer of carbon atoms of the bond pine can be used as an effective energy storage material by having a large surface area, the present invention The Li potential energy can have an appropriate energy range that can be used as a negative electrode material through the first-principle density function calculation, and the structure of the multilayer α-graphene and γ-graphene intercalated Li layer is C 6 Li 3 And 1117 mAh / g, which is approximately three times larger than graphite in the specific capacity. In addition, the volume capacities of multilayer-graphene and γ-graphene intercalated Li interlayer are 1364 mAh / ㎤ and 1589 mAh / ㎤ respectively, which is considerably larger than 818 mAh / ㎤, which is the volume capacity of graphite, As shown in FIG.

Description

그래파인을 이용한 음극물질 및 이를 포함하는 리튬이온 전지{Anode material with graphynes, and a lithium ion battery having the same}Anode material with graphynes and a lithium ion battery having the same,

본 발명은 그래파인을 이용한 리튬전지용 음극물질에 관한 것으로, 특히 α- 또는 γ-그래파인을 리튬전지용 음극물질로 이용함으로써 종래의 흑연 음극물질과 비교하여 에너지 저장 용량을 개선할 수 있는 리튬전지용 음극물질에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a negative electrode material for a lithium battery using graphene and, more particularly, to a negative electrode material for a lithium battery which can improve energy storage capacity as compared with a conventional graphite negative electrode material by using α- or γ- Lt; / RTI >

리튬 이온 배터리는 다른 충전배터리와 비교하여 높은 에너지밀도를 갖고 있기 때문에 휴대용 전자기기의 개발에서 가장 중요한 기술들 중의 하나이다. 3860 mAh/g의 높은 비용량(specific capacity) 때문에 리튬 금속음극이 사용되었다[참고문헌 1,2]. 그러나, 리튬 금속음극은 덴드라이트(dendrite)의 형성과 안정성 측면에서 다소의 문제점들을 갖고 있다. 한편, 흑연(graphite)은 리튬이온의 높은 리튬 확산성(고 파워)과 리튬 층간삽입(intercalation)에 의한 높은 안정성(작은 체적 변화) 때문에 리튬 이온 배터리의 음극물질로 널리 사용되고 있다. Li이 층간삽입된 흑연의 최대 배열은 모든 6개 탄소 원자에 하나의 Li 원자가 위치하는 것으로써, 이때 복합체의 구조는 C6Li으로서, 이때 비용량은 372mAh/g이다[참고문헌 3-5]. 한편 리튬 이온 배터리의 고용량화를 위하여 흑연을 능가할 수 있는 새로운 물질에 대하여 연구가 광범위하게 진행되고 있다. 음극물질로써, 실리콘, 게르마늄, 및 주석은 각각 ~4000 mAh/g, 1600 mAh/g, 및 1000 mAh/g의 높은 비용량을 갖는 것으로 제안되었다[참고문헌 6,7]. 그러나 이러한 음극물질들은 리튬 이온의 삽입과 분리 과정에서 큰 체적 변화(~400%)를 발생시키는 결정 팽창의 문제점을 갖고 있음이 알려졌다. 이는 낮은 전자 전도도(반도체)와 낮은 리튬이온의 리튬 확산성과 마찬가지로 음극물질로 사용하기에는 심각한 장애 요인이 된다. 반면에, 레이어 구조를 갖는 물질들은 레이어 사이의 Li 층간삽입으로 인하여 체적 변화가 적으므로 효과적으로 체적 변화 문제를 해소할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 또한 음극물질은 여러 가지의 요건들이 충족되어야 한다. Li은 벌크(bulk) 응집에너지가 ~1.6 eV이며 리튬 이온 배터리 음극물질에 대한 Li 최대 에너지는 ~3 eV이기 때문에, Li 원자의 결합(포텐셜)에너지는 ~1.6-3.0 eV 범위의 에너지를 가져야만 한다[참고문헌 2]. 한편, 결합에너지가 ~1.6 eV 이하인 경우에는 리튬의 분리가 발생되며, ~3 eV 이상인 경우에는 음극물질로서 기능을 하지 못하게 된다. 또한 비용량과 체적용량은 흑연 보다는 커야만 하며, 리튬 삽입에 의한 체적 변화는 흑연 정도로 작아야만 한다.Lithium-ion batteries are one of the most important technologies in the development of portable electronic devices because they have a higher energy density compared to other rechargeable batteries. Lithium metal cathodes were used because of their high specific capacity of 3860 mAh / g [refs. 1, 2]. However, lithium metal cathodes have some problems in terms of dendrite formation and stability. On the other hand, graphite is widely used as a cathode material of a lithium ion battery because of high lithium diffusion property (high power) of lithium ion and high stability (small volume change) by intercalation of lithium interlayer. The maximum arrangement of Li intercalated graphite is that one Li atom is located on all six carbon atoms, the structure of which is C 6 Li, where the specific capacity is 372 mAh / g [Ref. 3-5] . On the other hand, researches on new materials that can surpass graphite have been extensively carried out to increase the capacity of lithium ion batteries. As cathode materials, silicon, germanium, and tin have been proposed to have high specific capacities of ~ 4000 mAh / g, 1600 mAh / g, and 1000 mAh / g, respectively [6,7]. However, it is known that these cathode materials have a problem of crystal expansion which causes a large volume change (~ 400%) in the process of inserting and separating lithium ions. This is a serious obstacle to use as a cathode material, as it has low electron conductivity (semiconductor) and lithium diffusion of low lithium ions. On the other hand, it is expected that the materials having the layer structure can effectively solve the volume change problem because the volume change is small due to the interlayer intercalation between the Li layers. In addition, the cathode material must meet various requirements. Since Li has a bulk cohesive energy of ~ 1.6 eV and Li maximum energy for a lithium-ion battery cathode material is ~ 3 eV, the binding energy of Li atoms must have an energy in the range of ~ 1.6-3.0 eV [References 2]. On the other hand, if the binding energy is less than ~ 1.6 eV, separation of lithium occurs, and if the binding energy is more than ~ 3 eV, it will not function as a negative electrode material. Also, the specific capacity and volume capacity should be larger than graphite, and the volume change due to lithium insertion should be as small as that of graphite.

최근 sp-sp 2 - 결합의 탄소 원자들로 이루어진 2차원 구조의 α-, β-, 및 6,6,12(이하, "γ")-그래파인(graphyne)은 상당히 흥미로운 전자적 특성으로써 대칭적 및 비대칭적인 디랙 콘(Dirac cone)을 갖는다는 것이 보고되었다. 이는 전자 평형시준 이동(electron collimation transport)과 같은 그래핀(graphene)과는 다른 특성들을 보여준다[참고문헌 8-11]. 다른 흥미있는 특징으로는 그래파인은 육각형의 영역이 그래핀 보다 상당히 크기 때문에(그래핀 보다 대략 8배), 1차원 탄소 사슬 네트워크의 매우 큰 표면적을 갖는 시트로 볼 수 있다는 것이다. 응용 관점에서 그래파인의 특성은 에너지 저장물질로서 다양한 잠재적 응용이 가능할 수 있다. 예를 들어, 칼슘 또는 리튬 원자를 갖는 그래핀은 넓은 표면적을 가짐으로써 고용량의 수소 저장물질로 사용될 수 있다[참고문헌 12-14]. 더욱이, 그래파인은 금속성으로 인하여 높은 전자 전도도를 가질 수가 있다.
Last sp- and sp 2 - a two-dimensional structure consisting of a carbon atom of the coupling α-, β-, and 6,6,12 (hereinafter, "γ") - graphyne (graphyne) is symmetric as considerably interesting electronic properties It has been reported to have red and asymmetric Dirac cones. This shows different properties from graphene such as electron collimation transport [Ref 8-11]. Another interesting feature is that graphene can be seen as a sheet with a very large surface area of the one-dimensional carbon-chain network because the hexagonal region is considerably larger than graphene (about 8 times larger than graphene). From an application point of view, the properties of graphene can be various potential applications as energy storage materials. For example, graphene with calcium or lithium atoms can be used as a high-capacity hydrogen storage material by having a large surface area [Refs. 12-14]. Moreover, graphene can have a high electronic conductivity due to its metallic nature.

[참고문헌][references]

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[14] Li, C.; Li, J.; Wu, F.; Li, S.-S.; Xia, J.-B.; Wang, L.-W. 2011 J. Phys. Chem.C 115 23221.
[14] Li, C .; Li, J .; Wu, F .; Li, S.-S .; Xia, J.-B .; Wang, L.-W. 2011 J. Phys. Chem.C 115 23221.

본 발명은 나노다공성의 시트들이 적층되어 이루어진 α-, 또는 γ-그래파인의 각 레이어 사이에 Li 포텐셜 에너지는 음극에 적합한 에너지 범위를 갖는 것을 확인하였으며, 이에 그래파인을 이용하여 높은 비용량을 갖는 리튬전지용 음극물질을 제공하고자 하는 것이다.
In the present invention, it has been confirmed that the Li potential energy has an energy range suitable for the negative electrode between the respective layers of? - or? -Grapeine in which nanoporous sheets are laminated, and by using graphene, And to provide a negative electrode material for a lithium battery.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬전지용 음극물질, 나노다공성의 시트들이 적층되어 이루어진 α-, 또는 γ-그래파인의 각 레이어 사이에 Li 이온이 분산되어 Li 이온의 층간삽입 또는 층간탈리가 가능함으로써 달성된다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a negative electrode material for a lithium battery, a lithium ion dispersed between respective layers of? - or? -Grapeine comprising laminated nanoporous sheets, .

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 α-그래파인의 육각형 격자 평면의 중심에서 편심되어 Li 이온이 위치하며, 보다 바람직하게는, Li 이온이 삽입된 α-그래파인 복합체의 단위격자 구조는 C6Lix(0<x≤3)인 것을 특징으로 한다.Preferably, in the present invention, the unit lattice structure of the α-graphene composite in which Li ions are eccentrically positioned at the center of the hexagonal lattice plane of the α-graphene, and more preferably, the Li ion is inserted is C 6 Li x (0 < x ? 3).

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 γ-그래파인의 삼각형 격자 평면의 상부 또는 하부의 중공부 상에 Li 이온이 위치하며, 보다 바람직하게는, Li 이온이 삽입된 γ-그래파인의 복합체의 단위격자 구조는 C6Lix(0<x≤3)인 것을 특징으로 한다.
Preferably, in the present invention, Li ions are located on the upper or lower hollow portion of the triangular lattice plane of? -Grape, more preferably, a unit of? -Grapein complex The lattice structure is characterized by being C 6 Li x (0 < x ? 3).

본 발명에 따른 리튬전지용 음극물질은, 나노다공성의 시트들이 적층되어 이루어진 α- 또는 γ-그래파인의 각 레이어 사이에 Li 이온에 삽입 또는 분리가 가능하여 리튬전지용 음극물질로써 효과적이며, 특히 종래의 흑연을 이용한 음극물질과 비교하여 2~3배 정도 큰 비용량을 갖는 탁월한 효과가 있는 것이다.The negative electrode material for a lithium battery according to the present invention is effective as a negative electrode material for a lithium battery because it can be inserted or separated into Li ions between respective layers of? - or? -Grapeane in which nanoporous sheets are laminated, Compared to cathode materials using graphite, it has an excellent effect of having a specific capacity of 2 to 3 times larger.

특히 본 발명에 따른 리튬전지용 음극물질에 있어서, α-그래파인은 Li 이온의 삽입/분리 과정에서 체적-변화가 발생하지 않으므로 안정적인 리튬전지용 음극물질로 사용이 가능하다.
Particularly, in the negative electrode material for a lithium battery according to the present invention, since alpha-graphene does not cause volume change during insertion / separation of Li ions, it can be used as a stable negative electrode material for lithium batteries.

도 1의 (a)(b)는 각각 Li 원자가 부착된 2×2 α-그래파인 및 γ-그래파인의 원자 구조를 보여주는 도면(탄소 원자는 회색 점이며, 리튬 원자는 핑크색으로 표현),
도 2의 (a)(c)는 각각 농도 x에 대한 Li 원자당 계산된 Li 결합에너지를 보여주며, (b)(d)는 각각 x=3, x=2인 경우의 2×2 α-그래파인과 γ-그래파인에서의 원자 구조를 보여주는 도면,
도 3의 (a)는 농도 (x)(C6Lix)의 함수로써 Li 층간삽입된 AB-적층 α-그래파인의 Li원자당 계산된 Li 결합에너지를 보여주며, (b)(c)는 각각 x=3인 경우의 원자 구조의 측면과 단면을 보여주는 도면,
도 4의 (a)는 농도 (x)(C6Lix)의 함수로써 Li 층간삽입된 AA-적층 γ-그래파인의 Li원자당 계산된 Li 결합에너지를 보여주며, (b)(c)는 각각 x=3인 경우의 원자 구조의 측면과 단면을 보여주는 도면.
1 (a) and 1 (b) are diagrams showing the atomic structure of 2x2? -Grapeine and? -Grapeane with Li atoms attached thereto (carbon atoms are gray points and lithium atoms are pink)
2 (a) and 2 (c) show the calculated Li bond energies per Li atom with respect to the concentration x, and (b) and (d) show 2 × 2 α- Drawings showing atomic structure in graphene and gamma-graphene,
Fig. 3 (a) shows the calculated Li bond energies per Li atom of AB-laminated a-graphene intercalated with Li as a function of concentration (x) (C 6 Li x ) Are views showing side and cross-sectional views of the atomic structure when x = 3, respectively;
4 (a) shows the calculated Li bond energies per Li atom of AA-laminated y-graphene intercalated into Li as a function of concentration (x) (C 6 Li x ) &Lt; / RTI &gt; are side and cross-sectional views of the atomic structure when x = 3, respectively.

본 발명에서는 제일원리 밀도범함수론 계산(first-principles density-functional theory calculation)을 이용하여 리튬 이온 배터리 음극물질로 그래파인이 탁월한 기능을 발휘할 수 있음을 확인하였다. 그래파인은 보텀업 어프로우치(bottom-up approach)를 이용하여 디하이드로벤조아눌렌(dehydrobenzoannulene)에서 탄소 네트워크로부터 그래파인을 제작할 수 있는 것이며[참고문헌 15], 본 발명에서는 Li 결합에너지가 요구하는 결합에너지 수준을 만족하여 Li 분리 없이 Li 원자가 다층구조의 그래파인에 층간삽입될 수 있음을 확인하였다. Li 층간삽입된 α-그래파인 및 γ-그래파인 복합체의 구조는 C6Li3로써 1117 mAh/g의 비용량을 가지며, 흑연의 비용량(372 mAh/g) 보다 3배 정도 크다. 계산된 α-그래파인 및 γ-그래파인 복합체의 체적용량은 각각 1364 mAh/㎤, 1589 mAh/㎤로써 그래파인(818 mAh/㎤)도가 상당히 크다. 이러한 결과로부터 본 발명에 따른 다층구조인 그래파인은 리튬 이온 배터리 음극물질로써 사용될 수가 있는 것이다.
In the present invention, it was confirmed that graphene can exert excellent functions as a lithium ion battery cathode material by using a first-principle density-functional theory calculation. Grafine is able to fabricate graphene from a carbon network in dehydrobenzoanulene using a bottom-up approach [Ref. 15]. In the present invention, the bond required for Li bond energies It was confirmed that Li atoms could be intercalated into a multi-layered graphene without Li separation. The Li-intercalated α-graphene and γ-graphene composites have a specific capacity of 1117 mAh / g with C 6 Li 3 and are three times larger than the specific capacity of graphite (372 mAh / g). The calculated volume capacities of the α-graphene and γ-graphene composites are 1364 mAh / ㎤ and 1589 mAh / ㎤, respectively, and the graphene (818 mAh / ㎤) is considerably larger. As a result, graphene, which is a multilayer structure according to the present invention, can be used as a lithium ion battery negative electrode material.

이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

실시예Example

본 실시예에서는 프로젝터 보충파(PAW; projector-augmented-wave) 방법[참고문헌 17]이 마련된 VASP(Vienna Ab-initio Simulation Package)에서 시행되는 밀도범함수이론[참고문헌 16]에 기초하는 제일원리 방법을 사용하여 이루어졌다.In this embodiment, the first principles based on the density function theory (Reference 16) implemented in the VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package) provided with the projector-augmented-wave (PAW) Method.

교환 상관성 에너지 함수는 PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof) 방법[참고문헌 14]에서 표준 그래디언트 근사(GGA)가 사용되며, 운동에너지 컷오프(cutoff)는 400 eV로 하였다.A standard gradient approximation (GGA) is used in the PBE (Perdew-Burke-Ernzerhof) method [Ref. 14] and the kinetic energy cutoff is 400 eV.

본 실시예에서 모델에 사용된 α-(γ-)그래파인 시스템은 32개(48개) C 원자를 갖는 2× 2 육각형의 슈퍼셀(supercell)이다. Li이 분산된 그래파인의 기하학적 구조의 최적화는 고립된 그래파인의 평형 격자상수로부터 얻은 고정된 2×2 수퍼셀 내에서 각 원자에 작용하는 헬만-파이만(Hellman-Feynman) 힘이 0.01 eV/Å 보다 작을 때까지 수행하였다. 제1브릴리앙 존(first Brillouin zone) 적분은 몬크호스트-팩 방법(Monkhorst-Pack scheme)에 의해 이루어졌다[참고문헌 19]. 4×4×1 k-포인트 샘플링은 2×2 그래파인에 대해 이루어졌다. 주기 계산에 의한 이웃 구조 사이의 스퓨리어스 상호작용(spurious interaction)을 제거하기 위하여 모든 비주기 방향의 각각에서 10 Å의 진공 레이어를 취하였다. 본 발명에서 Li 흡착된 그래파인 모델 시스템에 대하여 테스트 계산을 수행하였으며, 4×4 그래파인에서 Li의 계산된 결합에너지(0.69 eV/Li)는 참고문헌 20에서의 0.67 eV/Li 값과 일치하여 본 발명에서의 접근 방법에 대한 신뢰성을 확인하였다.
In the present embodiment, the α- (γ-) graphene system used in the model is a 2 × 2 hexagonal supercell with 32 (48) C atoms. Optimization of the geometry of Li-dispersed graphene is based on the assumption that the Hellman-Feynman forces acting on each atom in a fixed 2 x 2 number of percels from an isolated graphene equilibrium lattice constant are 0.01 eV / &Lt; / RTI &gt; The first Brillouin zone integral was made by the Monkhorst-Pack scheme [19]. 4 × 4 × 1 k-point sampling was performed on 2 × 2 graphene. A vacuum layer of 10 angstroms was taken in each of the non-periodic directions to eliminate spurious interactions between neighboring structures by periodic calculations. In the present invention, a test calculation was performed on a Li adsorbed graphene model system and the calculated binding energy (0.69 eV / Li) of Li in 4 x 4 graphene was consistent with the 0.67 eV / Li value in Reference 20 The reliability of the approach in the present invention was confirmed.

<결과><Result>

그래파인은 sp-sp 2 -결합을 갖는 탄소들로 이루어진 다른 국소적 기하학적 구조를 갖는 육각형, 삼각형 및, 사각형과 같은 다양한 종류의 상(phase)을 갖는다. 본 발명에서 Li 흡착은 육각형 및 삼각형과 같이 국소적인 기하학적 구조에만 의존하는 것을 확인하였다. 따라서 본 실시예에서는 대표적으로 α-와 γ-그래파인 단일 레이어를 선택하였다. Graphyne is sp- and sp 2 - and has a range of phase (phase), such as a hexagon, a triangle and a rectangle having a different local geometric structure consisting of carbon having a coupling. In the present invention, it has been confirmed that Li adsorption depends only on local geometry such as hexagons and triangles. Therefore, in this embodiment, a single layer, which is typically? - and? -Grape, is selected.

도 1의 (a)(b)는 각각 Li이 분산된 α-와 γ-그래파인 원자 구조를 보여주고 있으며, 그래파인의 2×2 수퍼셀에 대한 계산으로부터 얻은 것이다. 2×2 그래파인에서 Li의 농도 x의 함수로써 Li 원자의 결합에너지를 계산하였으며, 이때 x는 C6Lix로부터 정의된 것이다. Li 원자의 결합에너지는 다음의 [수학식 1]과 같이 정의된 것이다.Figs. 1 (a) and 1 (b) show the atomic structure of? - and? -Grape, in which Li is dispersed, respectively, and are obtained from calculations for graphene 2 × 2 water cells. In 2 × 2 graphene, the binding energy of Li atoms as a function of Li concentration x was calculated, where x is defined from C 6 Li x . The binding energy of Li atoms is defined as follows.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112012098636997-pat00001
Figure 112012098636997-pat00001

위 식에서 N은 농도 x에 대해 2×2 셀당 부착된 Li 원자의 숫자이며,

Figure 112012098636997-pat00002
는 Li 원자의 농도 x를 갖는 Li 분산된 2×2 그래파인의 전체 에너지이며, E C 는 2×2 고립된 그래파인의 전체 에너지이며, E Li 는 진공에서 고립된 Li 원자의 전체 에너지이다. 2×2 γ-그래파인의 경우에, N=8x로써 C48LiN은 C6Lix으로 표현될 수 있다.Where N is the number of Li atoms attached per 2 x 2 cells to the concentration x,
Figure 112012098636997-pat00002
Is the total energy of the Li dispersed 2 x 2 graphene with a concentration x of Li atoms, E c is the total energy of graphene isolated 2 x 2, and E Li is the total energy of Li atoms isolated in vacuum. In the case of 2 x 2 gamma-graphene, C 48 Li N can be expressed as C 6 Li x with N = 8x.

도 1에서 도시된 Li 원자가 분산된 α-와 γ-그래파인 복합체는 각각 (a)C6Li0.188과 (b)C6Li0 .125이다. 그래파인은 다양한 Li 원자의 부착 위치가 존재하며, 예를 들어, 탄소 원자의 상부, sp -sp 2 -결합된 육각형의 중공부와, sp -결합된 삼각형 안쪽이 있을 수 있다. 도 1의 (a)에 도시된 것과 같이, α-그래파인의 Li 원자 부착의 경우에는 가장 선호되는 흡착 위치는 육각형 평면의 중심에서 다소 편심 위치이며, 이때 Li 원자와 가장 근접한 위치의 C 원자 사이의 거리는 ~2.23 Å이며, Li 원자의 결합에너지는 2.21 eV/Li이다. (A) C 6 Li 0.188 and (b) C 6 Li 0 .125, respectively, of the Li- dispersed α- and γ-graphene complexes shown in FIG. Yes Pine and the mounting position of the various Li atom is present, for example, the top of the carbon atom, sp - may be combined inside a triangle - with sp 2 - and the hollow portion of the associated hexagonal, sp. As shown in Fig. 1 (a), in the case of the attachment of Li-atoms of alpha -grapein, the most preferred adsorption position is a somewhat eccentric position at the center of the hexagonal plane, and between the C atoms at the closest position to Li atoms Is 2.23 Å, and the binding energy of Li atoms is 2.21 eV / Li.

도 1의 (b)에 도시된 것과 같이, γ-그래파인에서 하나의 Li 원자는 2.69 eV/Li의 결합에너지를 가지며 삼각형의 중공부에 결합된다. 이때, Li과 C 원자가 최단 거리는 2.26Å이며, Li 원자는 그래파인 시트 상부의 0.95 Å 높이에 위치한다. As shown in Fig. 1 (b), in Li-graphene, one Li atom has a binding energy of 2.69 eV / Li and is bonded to the hollow portion of the triangle. At this time, Li and C atoms have a shortest distance of 2.26 Å, and Li atoms are located at a height of 0.95 Å above the graphene sheet.

그래파인에서 Li 원자의 계산된 결합에너지는 해당 GGA 값인 그래핀의 1.10 eV/Li[참고문헌 20], C60의 1.80 eV/Li[참고문헌 21], 및 (5,5) 탄소나노튜브의 0.34 eV/Li(안쪽 쉘) 및 0.41 eV/Li(바깥쪽 쉘)[참고문헌 22] 보다 상당히 크다. 따라서, 이론값과 실험값이 각각 1.58 eV와 1.84 eV인 벌크 Li(

Figure 112012098636997-pat00003
)의 응집에너지보다 작은 값의 Li 결합 에너지를 갖는 그래핀, 탄소나노튜브 및 풀러렌은 리튬 이온 배터리 음극물질로써 적합하지 않을 수 있다. 한편, 그래파인의 Li 결합에너지는
Figure 112012098636997-pat00004
보다 상당히 크며, 따라서 Li 분리 없이 그래파인 상에서 Li 원자가 분산될 수가 있음을 알 수 있다.
The calculated binding energy of the Li atom in graphene is calculated from the corresponding GGA values of 1.10 eV / Li [Ref. 20], 1.80 eV / Li of C 60 [Reference 21] 0.34 eV / Li (inner shell) and 0.41 eV / Li (outer shell) [Reference 22]. Thus, the theoretical and experimental values are 1.58 eV and 1.84 eV, respectively, and bulk Li (
Figure 112012098636997-pat00003
), Graphene, carbon nanotubes and fullerenes having Li-bond energies less than the cohesive energy of lithium ion battery anode materials may not be suitable as lithium-ion battery cathode materials. On the other hand, the ligand binding energy of graphene is
Figure 112012098636997-pat00004
And thus it can be seen that Li atoms can be dispersed on graphene without Li separation.

다음으로, 단일 레이어 그래파인에서 Li 분산(dispersion) 안정성을 검토하였다. 단일 레이어의 그래파인에서 Li 분산은 쉽게 발생되기 때문에 Li 원자의 핵형성(nucleation)이 발생할 수 있다. 도 2는 Li 농도 x의 함수로써 2×2 그래파인에서의 Li 원자의 결합에너지와 함께 Li이 분산된 그래파인의 최적화된 기하학적 구조를 보여주고 있다. 도 2의 (b)에서 α-그래파인에서 x=3인 배열을 보여주고 있으며, 다소 변형된 그래파인의 각 육각형에 정확히 네 개의 Li 원자가 수용되어 있다. 다층 그래파인에서 Li 원자는 각 그래파인 시트의 일측 변에 분산이 이루어지므로써, γ-그래파인에서 시트의 일측 변에만 Li 흡착되는 것으로 파악된다. γ-그래파인의 x=2 배열을 도 2의 (d)에서 보여주고 있으며, Li 원자는 대부분 삼각형의 상부에 분산되어 있다. 농도 x의 배열에 대한 Li 결합에너지가 응집에너지보다 큰 경우(

Figure 112012098636997-pat00005
), Li 분산된 그래파인의 x 배열은 벌크 Li과 그래파인으로 분리된 상(phase)보다 에너지적으로 더 안정적이다. 도 2의 (a)(c)에서 굵은 점은 농도 x에 대해 가장 안정된 배열의 Li 결합에너지를 표시하고 있으며, 중공 점은 에너지 최소화 과정에서 확인된 다양한 국소 최소 배열의 Li 결합에너지를 나타내고 있다. 이로부터 알 수 있듯이, 단층(single layer) α- 또는 γ-그래파인에서의 Li 결합에너지는 여기서 고려된 Li 농도(x<3) 모두에 대해 응집에너지 보다 크다(또는 상당히 비슷). 다층(multilayer) 그래파인에서 Li 결합에너지는 레이어-레이어 상호작용에 의해 보다 증가할 수가 있다. α-그래파인의 또 다른 우수한 특징으로써 Li 원자는 면내(in-plane) 위치에서 흡착이 이루어지기 때문에 Li 삽입 또는 탈리 시에 체적 변화가 아주 작다는 것이다. 이러한 결과들에 의해 다층 그래파인은 음극물질로서 매우 효율적일 수 있다.Next, Li dispersion stability was examined in a single layer graphene. In a single layer of graphene, Li dispersion is easily generated and nucleation of Li atoms can occur. Fig. 2 shows the optimized geometry of the graphene in which Li is dispersed together with the binding energy of Li atoms in 2x2 graphene as a function of Li concentration x. FIG. 2 (b) shows an arrangement of x = 3 in alpha-graphene, and exactly four Li atoms are contained in each hexagon of the somewhat modified graphene. In the multi-layer graphene, since Li atoms are dispersed on one side of each graphene sheet, it is understood that only the one side of the sheet is adsorbed on the side in? -Grape. The x = 2 arrangement of γ-grapefine is shown in FIG. 2 (d), and most of the Li atoms are dispersed in the upper part of the triangle. When the Li bonding energy for the arrangement of the concentration x is larger than the cohesive energy (
Figure 112012098636997-pat00005
), The x arrangement of Li dispersed graphene is more energetically stable than the phases separated by bulk Li and graphene. The thick points in FIGS. 2A and 2C indicate the Li binding energies of the most stable arrangement with respect to the concentration x, and the hollow points represent the Li binding energies of various local minimum arrangements confirmed in the energy minimization process. As can be seen from this, the Li bond energy in the single layer? - or? -Grapeane is greater than (or significantly similar to) the cohesive energy for all the Li concentrations here (x <3). Li bond energies in multilayer graphenes can be increased by layer-layer interactions. Another excellent feature of α-graphene is that the volume change is very small at the time of Li insertion or desorption because Li atoms are adsorbed in-plane. These results enable multilayer graphene to be very efficient as a cathode material.

음극물질에서 흑연과 같은 층간삽입 화합물의 주요 장점은 높은 Li 확산성과, Li의 층간삽입에 의해 작은 체적 변화와, Li 삽입/탈리의 우수한 가역성에 의한 긴 수명과, 확장성이 우수하다는 것이다. 흑연과 유사하게, 다층 구조를 갖는 그래파인은 리튬 이온 배터리 음극으로써 탁월한 장점을 갖는다. The main advantages of intercalation compounds such as graphite in cathode materials are their high Li diffusion, small volume change due to intercalation of Li, long lifetime due to excellent reversibility of Li insertion / removal and excellent expandability. Similar to graphite, graphene having a multi-layer structure has excellent advantages as a lithium ion battery cathode.

본 실시예에서는 α-와 γ-그래파인에 기초한 Li 층간삽입된 다층 구조를 계산하였다. 상술한 것과 같이 단층(single-layer) 그래파인에서의 Li 분산 계산에 의하여 Li 층간삽입된 다층구조의 안정된 그래파인 구조를 예측하였다. 도 3에서는 서로 다른 농도에 대하여 Li 원자의 결합에너지와 함께 Li 층간삽입된 다층구조의 α-그래파인의 최적화된 기하학적 구조를 보여주고 있다. 다층 구조의 α-그래파인에서 AB-형태의 적층구조가 Li 층간삽입에 선호됨을 확인할 수 있었다. 도 3의 (b)와 (c)는 x=3 농도를 갖는 Li 층간삽입된 α-그래파인의 측면과 단면을 보여주고 있으며, 이때 레이어 사이의 거리는 3.1 Å이다. 도 3에서 도시된 것과 같이 단층(single layer) α-그래파인의 경우와 동일하게 Li 원자는 그래파인의 내면(in-plane) 위치로 층간삽입이 이루어지며, 육각형 내에 4 개까지 Li 원자가 수용된다. 반면에, 다층 구조의 γ-그래파인에서는 AA-형태의 적층이 Li 층간삽입에 유리하며, Li 원자는 레이어들 사이로 층간삽입이 이루어진다. 도 4의 (b)와 (c)는 각각 x=3 농도를 갖는 Li 층간삽입된 γ-그래파인의 측면과 단면을 보여주고 있으며, 이때 레이어 사이의 거리는 4.1 Å이며, 시트에 대해 다른 높이를 갖는 삼각형 내에 3개 Li 원자까지 수용된다. Li 층간삽입된 그래파인에서의 레이어들 사이의 거리는 농도(x)에 대해 약하게 의존함을 확인하였다. 예상과 같이, 다층구조의 그래파인에서 Li 원자의 결합에너지는 단층 구조의 그래파인과 비교하여 다소 증가한다.In this embodiment, a multi-layer structure inserted between Li layers based on? - and? -Graffin was calculated. As described above, the stabilized graphene structure of a multi-layer structure inserted between Li layers was predicted by calculation of Li dispersion in a single-layer graphene. FIG. 3 shows an optimized geometry of a multi-layered a-graphene intercalated with Li bonding energy with Li bonding energy for different concentrations. In the α-graphene of the multilayer structure, it was confirmed that the laminate structure of the AB-type is preferable to the interlayer of Li interlayer. Figures 3 (b) and 3 (c) show side and cross-sectional views of a Li-intercalated α-graphene with x = 3 concentration, where the distance between layers is 3.1 Å. As shown in FIG. 3, as in the case of a single layer? -Grapeine, Li atoms are intercalated into an in-plane position of graphene, and up to four Li atoms are accommodated in the hexagons . On the other hand, in the γ-graphene of the multi-layer structure, AA-type lamination is advantageous for Li interlayer intercalation, and Li interlayer intercalation is performed between layers. Figures 4 (b) and 4 (c) show side and cross-sectional views of Li-intercalated γ-graphene, respectively, with x = 3 concentration, where the distance between the layers is 4.1 Å, Lt; RTI ID = 0.0 &gt; Li &lt; / RTI &gt; It was confirmed that the distance between the layers in the Li interlayer-inserted graphene was weakly dependent on the concentration (x). As expected, the binding energy of Li atoms in the graphene of the multi-layer structure increases somewhat compared to the graphene of the single-layer structure.

도 4의 (a)에서 보여주고 있듯이, 다층 구조의 γ-그래파인에서 Li 결합에너지는 x=3 보다 낮은 농도에서 벌크 Li의 응집에너지보다 크며, 이때 Li 원자는 분리 없이 층간삽입이 이루어진다. 또한, Li 클러스터링(clustering)이 고농도(x > ~ 3)에서 발생되며, 레이어 사이의 거리는 Li 클러스터링으로 인하여 4.1 Å의 ~50%까지 증가될 수 있음을 확인하였다. 한편 큰 핵생성 문턱(nucleatin barrier)은 Li 핵생성 배열과 x=3 배열 사이에서 관련되며, 따라서, Li 층간삽입된 γ-그래파인 최대 복합체의 구조는 C6Li3으로 예상될 수 있다. 한편, 농도(x)가 ~2.5인 배열과 Li 분리 배열 사이의 큰 핵생성 문턱으로 인하여 농도(x)가 ~3 근처에서 Li 결합에너지가 벌크 Li의 응집에너지보다 다소 작아서 농도(x)가 3이 될 때까지 Li 원자는 또한 α-그래파인에서 Li의 분리 없이 층간삽입이 이루어질 수 있을 것이다. 따라서, Li 층간삽입된 α-그래파인에 대한 최대 복합체의 구조는 x> 3에서 Li 클러스터링 때문에 마찬가지로 C6Li3으로 예상된다. 이러한 복합체의 비용량은 1116mAh/g에 해당한다. 더욱이, Li 층간삽입된 다층구조의 α-그래파인과 γ-그래파인의 계산된 체적 용량은 각각 1364 mAh/㎤와 1589 mAh/㎤이며, 이는 모두 흑연의 용량인 818 mAh/㎤[참고문헌 5] 보다 상당히 크다. 이로부터 다층 구조의 그래파인이 리튬 이온 배터리 음극물질로써 사용될 수 있음을 보여주는 것이다.
As shown in FIG. 4 (a), in the γ-graphene of the multi-layer structure, the Li bonding energy is larger than the cohesive energy of the bulk Li at a concentration lower than x = 3, and the Li atoms are intercalated without separation. In addition, Li clustering occurs at a high concentration (x> ~ 3), and the distance between layers can be increased up to ~ 50% from 4.1 Å due to Li clustering. On the other hand, the large nucleation barrier is related between the Li nucleation arrays and the x = 3 arrays, so the structure of the Li intercalated γ-grapple maximal complex can be expected to be C 6 Li 3 . On the other hand, due to the large nucleation threshold between the array with the concentration (x) of ~ 2.5 and the Li separation array, the Li bond energy near the ~3 concentration is somewhat smaller than the aggregation energy of the bulk Li, Li atoms can also be intercalated without the separation of Li in? -Graffin. Therefore, the structure of the maximal complex for Li intercalated α-graphene is expected to be C 6 Li 3 as well for Li clustering at x> 3. The specific capacity of this complex corresponds to 1116 mAh / g. Furthermore, the calculated volume capacities of α-graphene and γ-graphene intercalated multilayer structures are 1364 mAh / ㎤ and 1589 mAh / ㎤, respectively, which are all 818 mAh / ㎤, the capacity of graphite [ . This shows that the multi-layered graphene can be used as a lithium ion battery cathode material.

이와 같이 본 발명에서는 제일원리 밀도범함수 이론을 사용하여 리튬 이온 배터리 음극물질로써 Li 층간삽입된 다층 구조의 그래파인이 응용될 수 있음을 전체 에너지 전자 구조 계산을 수행하여 알 수 있었으며, 계산된 Li 포텐셜 에너지는 음극물질에 적합한 에너지 범위를 갖는다. 다층 구조의 그래파인의 Li 비용량은 ~ 1000mAh/g 정도로써 흑연의 Li 비용량(372 mAh/g)보다 상당히 큼을 알 수 있다. 체적용량은 ~ 1500 mAh/㎤로써 흑연의 체적용량 ~ 800 mAh/㎤보다 상당히 큼을 알 수 있다. 본 발명으로부터 다층 구조의 그래파인은 고용량의 리튬 이온 배터리 음극물질로써 상당히 탁월함을 알 수가 있다.As described above, the present invention can be applied to the structure of Li layer intercalated multi-layered graphene as a lithium ion battery negative electrode material by using the principle principle of the first principle density function, The potential energy has an energy range suitable for the cathode material. The Li specific capacity of graphene of the multi-layer structure is considerably larger than the Li specific capacity (372 mAh / g) of graphite at about 1000 mAh / g. The volume capacity is ~ 1500 mAh / cm3, which is considerably larger than the volume capacity of graphite ~ 800 mAh / cm3. From the present invention, it can be seen that the multi-layered graphene is remarkably excellent as a high-capacity lithium ion battery cathode material.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the inventions. It will be apparent to those of ordinary skill in the art.

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Claims (6)

삭제delete 삭제delete 나노다공성의 시트들이 적층되어 이루어진 α-그래파인의 각 레이어 사이에 Li 이온이 분산되어 층간삽입 또는 층간탈리가 가능한 리튬전지용 음극물질로서,
상기 α-그래파인의 육각형 격자 평면의 중심에서 편심되어 Li 이온이 위치하며, Li 이온이 삽입된 α-그래파인 복합체의 단위격자 구조는 C6Li3이며, 레이어 사이의 거리는 3.1 Å인 것을 특징으로 리튬전지용 음극물질.
1. A negative electrode material for a lithium battery capable of intercalating or deintercalating Li ions dispersed between respective layers of? -Grapeine in which nanoporous sheets are laminated,
The unit lattice structure of the α-graphene composite in which Li ions are positioned and eccentrically located at the center of the hexagonal lattice plane of the α-graphene and in which Li ions are inserted is C 6 Li 3 and the distance between the layers is 3.1 Å As a cathode material for lithium batteries.
삭제delete 나노다공성의 시트들이 적층되어 이루어진 γ-그래파인의 각 레이어 사이에 Li 이온이 분산되어 층간삽입 또는 층간탈리가 가능한 리튬전지용 음극물질로서,
상기 γ-그래파인의 삼각형 격자 평면의 상부 또는 하부의 중공부 상에 Li 이온이 위치하며, Li 이온이 삽입된 γ-그래파인의 복합체의 단위격자 구조는 C6Li3이며, 레이어 사이의 거리는 4.1 Å인 것을 특징으로 리튬전지용 음극물질.
1. A negative electrode material for a lithium battery capable of intercalating or deintercalating Li ions dispersed between respective layers of? -Grape, wherein nano-porous sheets are laminated,
The Li-ion is located on the upper or lower hollow portion of the triangular lattice plane of y-grape, and the unit lattice structure of the y-graphene complex into which Li ions are inserted is C 6 Li 3 , 4.1 &lt; RTI ID = 0.0 &gt; A. &lt; / RTI &gt;
제3항 또는 제5항의 음극물질을 포함하는 리튬이온 전지.A lithium ion battery comprising the cathode material of claim 3 or claim 5.
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