The practical uses of rechargeable batteries have expanded from portable electronics to large-scale applications and thus post lithium ion batteries (LIBs) have drawn considerable research interests. We employed first principles calculations to understand and predict electrochemical properties of electrode materials for sodium ion batteries (SIBs) and magnesium ion batteries (MIBs).
Firstly, we investigated birnessite-type manganese oxide as SIB cathode. By constructing a model that represents experimental findings, structural information including the coordination environment of Na ions and geometry of crystal water was obtained. Furthermore, the enhanced Na ion diffusion in birnessites was attributed to the presence of crystal water that widens the interlayer spacing and reduces the effective charge on Na ion.
The Na storage and ion diffusion properties of $M_2C$ -type MXenes were considered and compared to the Li analogues. The fundamental aspects of the trend observed in average voltage of MXenes were discussed regarding electrostatic interactions between adsorbed ions and host structure. In terms of predicted voltage and ion migration barrier, suitable MXenes were suggested as promising SIB anodes.
We examined Na ion adsorption and migration properties on transition metal dichalcogenides (TMDs) while taking the phase transition induced by sodiation into account. We noted that it is crucial to consider phase transformation when describing the TMDs. Two kinds of TMDs are expected to exhibit suitably low average potential while maintaining the same configuration upon Na adsorption and have low Na ion migration barrier.
Lastly, Chevrel phases (CPs) with a chemical composition of $M_6X_8$ (M = transition metal, X = O, S, Se) were investigated as cathode material for MIBs. By estimating the phase stability of both existing and hypothetical CPs, synthesizable ones composed of lighter transition metals than Mo were suggested. Possible increase in voltage by anion substitution and Mg ion migration properties inside these materials were also examined.
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.
