Simulation of the Adsorption and Diffusion of Lithium Atoms on Defective Graphene for a Li-Ion Battery

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Based on the density functional theory (DFT) with allowance for spin polarization or the local spin density approximation (LSDA), we calculate the adsorption and diffusion properties of a lithium atom on a graphene ( ) monolayer with monovacancy ( ) as the anode material for an -ion battery. The DFT LSDA calculations are performed in relaxed 5 × 5 and 6 × 6  supercells and based on graphene with the monovacancy + lithium adatom complex . Based on the calculated values of the adsorption energy of the lithium atom , the energetically stable location of the lithium adatom  is determined on a monolayer of supercells in  and . The calculation results show that the  adatom energetically prefers to be adsorbed in the pit position (H-site) rather than adsorbed from above (T-site) of the carbon atom in the monolayer. The DFT LSDA calculated electronic band structure and local total and partial magnetic moment of  supercell atoms are consistent with the calculations performed by the generalized gradient approximation (GGA)-PBE functional for the H-, B-, and T-sites of graphene. Taking into account the experimentally obtained diffusion coefficients of lithium in two-layer graphene in the struc-tural packing of an AB package and the temperature (263–333 K) dependence of Li diffusion in two-layer graphene, which is described by the Arrhenius law, the diffusion activation energy of  is calculated at con-centrations of  = 0.06–0.51 in LixC12 graphene in the AB packaging.

About the authors

M. M. Asadov

Nagiyev Institute of Catalysis and Inorganic Chemistry, National Academy of Sciences of Azerbaijan; Research Institute of Geotechnological Problems of Oil, Gas and Chemistry

Email: mirasadov@gmail.com
Baku, AZ-1143 Azerbaijan; Baku, AZ-1010 Azerbaijan

S. O. Mammadova

Institute of Physics, National Academy of Sciences of Azerbaijan

Email: lukichev@ftian.ru
Baku, AZ-1143 Azerbaijan

S. S. Huseynova

Institute of Physics, National Academy of Sciences of Azerbaijan

Email: lukichev@ftian.ru
Baku, AZ-1143 Azerbaijan

S. N. Mustafaeva

Institute of Physics, National Academy of Sciences of Azerbaijan

Email: lukichev@ftian.ru
Baku, AZ-1143 Azerbaijan

V. F. Lukichev

Valiev Institute of Physics and Technology Institute, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: lukichev@ftian.ru
Moscow, 117218 Russia

References

  1. Yoo E., Kim J., Hosono E., Zhou H.-S., Kudo T., Honma I. Large Reversible Li Storage of Graphene Nanosheet Families for Use in Rechargeable Lithium-Ion Batteries // Nano Letters. 2008. V. 8. № 8. P. 2277–2282. https://doi.org/10.1021/nl800957b
  2. Lv W., Tang D.-M., He Y.-B., You C.-H., Shi Z.-Q., Chen X.-C., Chen C.-M., Hou P.-X., Liu C., Yang Q.-H. Low-Temperature Exfoliated Graphenes: Vacuum-Promoted Exfoliation and Electrochemical Energy Storage // ACS Nano. 2009. V. 3. № 11. P. 3730–3736. https://doi.org/10.1021/nn900933u
  3. Jang B.Z., Liu C., Neff D., Yu Z., Wang M.C., Xiong W., Zhamu A. Graphene Surface-Enabled Lithium Ion-Exchanging Cells: Next-Generation High-Power Energy Storage Devices // Nano Letters. 2011. V. 11. № 9. P. 3785–3791. https://doi.org/10.1021/nl2018492
  4. Das D., Kim S., Lee K-R., Singh A.K. Li diffusion through doped and defected graphene. Physical Chemistry Chemical Physics. 2013. V. 15. № 36. P. 15128–15134. https://doi.org/10.1039/C3CP52891J
  5. Lee E., Persson K.A. Li Absorption and Intercalation in Single Layer Graphene and Few Layer Graphene by First Principles // Nano Letters. 2012. V. 12. P. 4624–4628. https://doi.org/10.1021/nl3019164
  6. Kühne M., Paolucci F., Popovic J., Ostrovsky P.M., Maier J., Smet J.H. Ultrafast lithium diffusion in bilayer graphene // Nature Nanotechnology. 2017. V. 12. P. 895–902. https://doi.org/10.1038/nnano.2017.108
  7. Zhong K., Hu R., Xu G., Yang Y., Zhang J.-M., Huang Z. Adsorption and ultrafast diffusion of lithium in bilayer graphene: Ab initio and kinetic Monte Carlo simulation study // Physical Review B. 2019. V. 99. № 15. P. 155403–12. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.155403
  8. Асадов M.M., Мустафаева С.Н., Гусейнова С.C., Лукичев В.Ф., Тагиев Д.Б. Ab initio моделирование влияния расположения и свойств упорядоченных вакансий на магнитное состояние монослоя графена // Физика твердого тела. 2021. Т. 63. № 5. С. 680–689. https://doi.org/10.1134/S1063783421050036
  9. Асадов М.М., Мустафаева С.Н., Гусейнова С.С., Лукичев В.Ф. DFT моделирование электронной структуры и адсорбция германия в упорядоченном графене с вакансией // Микроэлектроника. 2022. Т. 51. № 2. С. 125–139. https://doi.org/10.1134/S1063739722010024
  10. Асадов M.M., Маммадова С.О., Гусейнова С.C., Мустафаева С.Н., Лукичев В.Ф. Моделирование адсорбции золота на поверхность дефектного графена // Микроэлектроника. 2022. Т. 51. № 6. С. 429–442. https://doi.org/10.31857/S054412692270003X
  11. Perdew J.P., Zunger A. Self-interaction correction to density-functional approximations for many-electron systems // Physical Review B. 1981. V. 23. № 10. P. 5048–5079. https://doi.org/10.1103/physrevb.23.5048
  12. Konschuh S., Gmitra M., Fabian J. Tight-binding theory of the spin-orbit coupling in graphene // Physical Review B. 2010. V. 82. № 24. P. 245412–11. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.245412
  13. Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouin zone integrations // Physical Review B. 1976. V. 13. № 12. P. 5188–5192. https://doi.org/10.1103/physrevb.13.5188
  14. Chan K.T., Neaton J.B., Cohen M.L. First-principles study of metal adatom adsorption on graphene // Physical Review B. 2008. V. 77. № 23. P. 235430–12. https://doi.org/10.1103/physrevb.77.235430
  15. Elias D.C., Gorbachev R.V., Mayorov A.S., Morozov S.V., Zhukov A.A., Blake P., Ponomarenko L.A., Grigorieva I.V., Novoselov K.S., Guinea F., Geim A.K. Dirac cones reshaped by interaction effects in suspended graphene // Nature Physics. 2011. V. 7. № 9. P. 701–704. https://doi.org/10.1038/nphys2049

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (986KB)
3.

Download (559KB)
4.

Download (350KB)
5.

Download (410KB)
6.

Download (622KB)
7.

Download (955KB)
8.

Download (490KB)
9.

Download (258KB)
10.

Download (456KB)
11.

Download (559KB)
12.

Download (546KB)
13.

Download (233KB)
14.

Download (219KB)
15.

Download (255KB)
16.

Download (96KB)
17.

Download (40KB)

Copyright (c) 2023 М.М. Асадов, С.О. Маммадова, С.С. Гусейнова, С.Н. Мустафаева, В.Ф. Лукичев

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».