17546

17546

مطالعه محاسباتي نانوساختارها جهت كاربرد در الكترود آند باتري‌هاي يون-ليتيم

دكتري

شيمي - فيزيك

اسفند 1395

دكتر سيد مرتضي موسوي خوشدل

شيمي

مهمترين ماده‌اي كه امروزه به عنوان آند، در باتري‌هاي يون-ليتيم استفاده مي‌شود گرافيت است. متاسفانه گرافيت به دليل ظرفيت ذخيره بار الكتريكي پايين، نمي‌تواند نيازهاي آينده براي افزايش چگالي انرژي را برآورده كند. سيليسيم، ژرمانيم و قلع مهم‌ترين مواد براي جايگزيني گرافيت هستند. در اين تحقيق، هدف آن است كه نانوساختارهاي جديد گرافني و سيليسيمي به صورت محاسباتي DFT، به عنوان گزينه‌اي براي آند باتري‌هاي يون-ليتيمي مورد مطالعه قرار گيرند. ابتدا خواص الكتروني شامل ساختار نوار، چگالي حالت‌هاي الكتروني و خواص ساختاري گرافن‌هاي دوپه شده با دو عنصر فسفر و نيتروژن محاسبه گرديد. مقادير انرژي جذب (بر اساس رابطه E_ads=〖(E〗_gr+E_Li)-E_(gr+Li)) و نفوذ اتم ليتيم بر روي گرافن-PN پيريديني به ترتيب 189/2 و 466/2 الكترون ولت دست آمد. نتايج نشان داد كه گرافن-PN پيريديني نسبت به ساير ساختارهاي گرافن-PN و همچنين گرافن خالص، از نقطه نظر جذب و نفوذ ليتيم مزيت دارد. در مرحله بعد مولكول مالئيك انيدريد به عنوان الكترود آلي بر روي بستري از گرافن دوپه شده با اتم آلومينيوم (گرافن-Al) با روش DFT مطالعه شد. مقادير انرژي جذب مالئيك انيدريد بر روي گرافن دوپه شده با آلومينيوم 95/1- الكترون ولت (بر اساس رابطه E_ads=E_(gr+MA)-E_gr-E_MA) به دست آمد كه نشان از جذب قوي بر روي مالئيك انيدريد است. اين بستر مي‌تواند مانع حل شدن مالئيك انيدريد در الكتروليت شود. كامپوزيت گرافن-Al/مالئيك انيدريد مي‌تواند بيشتر از دو برابر گرافن-Al تنها يا مالئيك انيدريد تنها ليتيم ذخيره كند. همچنين نفوذ سطحي اتم ليتيم بر روي كامپوزيت گرافن-Al/مالئيك انيدريد حدود 99/1 الكترون ولت محاسبه شد كه در گستره نسبتا مناسبي جهت عبور اتم ليتيم است. در بخش ديگر اين تحقيق جذب و نفوذ ليتيم بر روي سيليسن دوپه شده با اتم‌هاي آلومينيوم، بور، نيتروژن و فسفر بررسي شد. قابليت ذخيره سازي ليتيم در تمام سيليسن‌هاي دوپه شده نسبت به سيليسن خالص بيشتر است. نفوذ سطحي در سيليسن-N حدود 05/0 الكترون ولت (در مقايسه با 32/0 الكترون ولت براي سيليسن خالص) و نفوذ عمودي در سيليسن-Al 47/1 الكترون ولت (در مقايسه با 67/1 الكترون ولت براي سيليسن خالص) به دست آمد كه نشان از قابليت بالاي سيليسن‌هاي دوپه شده براي استفاده در آند باتري يون-ليتيم، در مقايسه با سيليسن خالص است. همچنين محاسبات نشان داد كه ايجاد نقص 5559 و 5105 در سيليسن با سهولت بيشتري نسبت به گرافن انجام مي‌شود. سيليسن نقص‌دار 5559 و 5105 قابليت ذخيره‌سازي ليتيم تا غلظت 50 درصد بدون تشكيل كلاستر را دارند. انرژي نفوذ ليتيم بر روي سيليسن نقص‌دار 5559 و 5105 به ترتيب 252/0 و 069/0 الكترون ولت محاسبه شد. نتايج نشان داد كه ايجاد نقص رويكرد مناسبي براي بهبود كارايي سيليسن به عنوان آند باتري يون-ليتيم است.

1396/04/11

1/1/1900 12:00:00 AM

Graphite is the most common material used in the anode of lithium-ion batteries (LIBs). In spite of its advantages, graphite low specific capacity hinder its application in future technologies such as electric vehicles and off-peak energy storage .The most promising candidates for graphite replacement are Si, Sn, and Ge elements. In this research, new graphene and silicon-based nanostructures have been explored computationally as the anode of LIBs. Firstly, Structural and electronic properties of phosphrus and nitrogen codoped graphenes (PN-graphenes) have been calculated. Lithium adsorption energy and diffusion barrier on pyridinic PN-graphene obtained to be 2.189 and 2.466 eV, respectively. These values show the advantages of pyridinic PN-graphene as LIBs anode over pristine and other PN-graphenes. Then, the adsorption of maleic anhydride (MA) on Al-doped graphene was calculated. The calculated adsoprtion energy (-1.95 eV) suggests that Al-doped graphene could be a suitable substrate for MA and preventing MA dissolution in electrolyte. Our results indicated that Li sotrage capability of MA/Al-graphene complex is twice of bare Al-graphene or MA. Diffusion barrier of Li across MA/Al-graphene complex calculated to be 1.99 eV which make Li motion not to be so easy on this complex. Also, the adsorption and diffusion of lithium on pristine and boron, nitrogen, aluminium and phosphorus-doped silicenes were studied. Li storage in all doped silicene systems is more than pristine silicene. Diffusion barrier of Li across of N-doped silicene obtained to be 0.05 eV (0.32 eV for pristine silicene) and perpendicular diffusion of Li on Al-doped silicene calculated to be 1.47 eV (1.67 for pristine silicene). These results show the potential of doped silicenes for LIBs anode. Calculations showed that formation of 5559 and 5105 defects on silicene is more easier in comparison with graphene. These defective silicenes could adsorb Li up to 50% concentration without the formation of Li clusters. Diffusion barrier of Li on 5559 and 5105 silicenes obtained to be 0.252 and 0.069 eV. Based on these data, it can be concluded that creation of defects is a good strategy to enhance performance of silicene as LIBs anode.