A number of research for development of novel electrode with high capacity, stable cyclability and low cost for rechargeable battery have been carried out to various portable electronic device and electric vehicles and hybrid electric vehicles. To develop more enhanced battery, various in-situ studies have been carried out to understand reaction mechanisms.
A number of studies about CuS as an anode material of rechargeable batteries because of its high capacity (~ 560mah/g) and high electronic conductivity $(~ 10^3 S/cm)$. Understanding clear mechanism of reaction mechanism is necessary for development durable anode materials for batteries. In this study, transmission electron microscopy (TEM) is used for observation of lithiation and sodiation reaction of hexagonal CuS nanoparticles. LiF and NaF were employed for providing lithium and sodium metal to CuS. LiF and NaF were dissociated by electron beam, generating Li and Na sources. Generated Li and Na sources reacted with CuS nanoparticles, showing different reaction mechanisms. Displacement reaction was observed in lithiation reaction where sulfur position was retained while copper was completely replaced by Li. In terms of sodiation, displacement-conversion combined reaction was observed in sodiation reaction in which sodium sulfide micro-grains were formed and copper spheres were embedded in the grains. This different aspect is very unique because lithium and sodium both are monovalent and lithium sulfide and sodium sulfide both also have same cubic structure. This unique phenomenon might be happened by difference of diffusion barrier of copper in $Li_2S$ and $Na_2S$.
산업화가 진행됨에 따라, 모바일 전자기기와 전기차 혹은 하이브리드 차량에 적용하기 위해 높은 용량, 안정한 순환성, 그리고 낮은 비용의 새로운 전극의 개발을 위해 많은 연구들이 진행되어 왔으며, 더 개선된 배터리를 개발하기 위해서, 반응 메커니즘을 이해하기 위한 많은 실시간 반응 연구 또한 진행되어 왔다.
황화구리는 높은 용량(560mah/g)와 높은 전기전도도 $(10^3 S/cm)$ 의 특성을 가지고 있기 때문에 2차전지 배터리 음극재료로 사용하기 위한 연구가 계속 되고 있다. 음극재료를 연구 개발하는데 있어 실시간 관찰을 통해 해당 물질의 반응메커니즘을 이해하는 것이 필수적이다. 따라서 이 연구에서는 투과전자현미경을 이용하여 황화구리의 리튬화 및 소듐화 반응을 실시간으로 관찰하였다. 육각형 황화구리 나노파티클의 리튬화 및 소듐화 실시간 투과전자현미경 관찰을 위해 리튬플루오라이드와 소듐플루오라이드가 각각 리튬 및 소듐 공급원으로 사용되었다. 리튬플루오라이드와 소듐플루오라이드는 전자빔에 의해 분해되면서 금속 리튬과 소듐을 생성시키고, 생성된 금속 리튬 및 금속 소듐은 황화구리와 반응하였다. 리튬화 및 소듐화 반응은 서로 다른 반응 양상을 나타내었다. 리튬화 반응에서는 황 원자의 위치는 유지되면서 구리원자의 위치는 리튬원자에 의해 대체되는 대체반응이 진행되는 반면, 소듐화 반응의 경우 황화소듐 마이크로 결정들이 생성되면서 구리 구들이 황화소듐에 박혀있는 형태로 진행되었는데 이는 대체반응과 전환반응이 융합되어 있는 것으로 보인다. 리튬과 소듐이온은 모두 1가 이온인데다 황화 리튬과 황화소듐은 모두 같은 큐빅구조를 가지고 있기 때문에 서로 반응양상이 다르다는 것은 주목할만한 현상이다. 이런 현상은 황화리튬 및 소듐에서 구리의 확산 장벽의 차이 때문이라 추정된다.
