First principles studies of electrode materials for post lithium ion battery

Abstract

이차 전지의 용도가 확장되면서 나트륨 이온 전지 (SIB) 와 마그네슘 이온 전지 (MIB) 가 리튬 전지의 대체재로서 주목받고 있다. 본 논문에서는 제일원리계산을 통해 포스트 리튬 이온 전지용 전극 재료의 특성을 이해하고 예측하고자 하였다. SIB 양극 재료인 버네사이트를 모델링하였고, 결정수가 층 간격을 넓히고 Na 이온의 양전하를 줄임으로써 이온 이동에 도움이 됨을 확인하였다. MXene에서 Na 흡착 및 이동 특성을 알아보고, Li의 경우와 비교하였다. 또 정전기적 상호작용을 통해 평균 전압의 추세를 설명하고 전압과 이온 이동 에너지 장벽을 기반으로 SIB 음극에 적합한 MXene을 제안하였다. Transition metal dichalcogenide (TMD) 에서도 Na 흡착 및 이동 특성을 조사했고, 상 변화를 고려하여 이를 더 정확하게 기술할 수 있었다. $TiS_2$ 와 $NbS_2$ 는 같은 상을 유지하며 적합한 전압과 이온 이동 에너지 장벽을 갖는 SIB 음극 재료로 예상된다. $Mo_6S_8$ 을 비롯해 Mo 이외의 금속을 포함하는 가상의 Chevrel phase의 위상 안정도를 계산하여 $Mo_6S_8$ 보다 비용량이 큰 MIB 양극 재료를 제안하였다. 또 음이온 일부를 치환해 평균 전압을 높이는 방법을 제시하였고 재료 내 이온 이동을 예측하였다.