• شماره ركورد
    31013
  • پديد آورنده

    هاتف يوسفي مشهور

  • عنوان
    شبيه‌سازي و بررسي خواص نظري كاتدهاي فلوئوري در باتري‌هاي قابل‌شارژ ليتيومي و سديمي
  • مقطع تحصيلي
    دكتري
  • رشته تحصيلي
    فيزيك ماده چگال
  • سال تحصيل
    1397
  • تاريخ دفاع
    1402/12/12
  • استاد راهنما
    افشين نميرانيان
  • استاد مشاور
    محمد مهدي كلانتريان
  • دانشكده
    فيزيك
  • چكيده
    در اين پژوهش، اثر عنصر فلوئور بر روي دو دسته مواد مهم به‌عنوان الكترود براي باتري‌هاي ليتيوم و سديم يوني مطالعه و بررسي شد. در ادامه اثر خود عنصر فلوئور به‌تنهايي به‌عنوان ماده فعال موردمطالعه قرار گرفت. بررسي خواص و رفتار نظري مواد با استفاده از نظريه تابعي چگالي (DFT) انجام شد. دسته اول موادي اكسيدي فلزي لايه‌اي با فرمول Li/Na M O2 (M يك يا چند فلز واسطه) هستند كه از اولين الكترودهاي تجاري‌سازي شده و داراي خاصيت ظرفيت كم اما نرخ‌پذيري بالا مي‌باشند. دسته دوم مواد سيليكاتي با فرمول شيميايي Li2MSiO4 (M يك يا دو فلز واسطه) كه ظرفيت بالا اما نرخ‌پذيري پاييني دارند مورد بررسي قرار گرفتند. سه طيف از تركيبات مواد فعال براي مطالعه مدنظر قرار گرفتند كه شامل ماده خام اوليه، آلياژ و دوپينگ مي‌باشد. در ابتدا براي مقايسه اثر آلياژ و دوپينگ، مواد فعال خام اكسيدي و سيليكاتي مورد محاسبه قرار گرفتند. سپس محاسبات اثر آلياژ و دوپينگ فلوئور در آنها موردمطالعه قرار گرفت. پس از محاسبات خواص فيزيكي همچون پايداري ساختاري، نفوذ يون، نيروهاي بين‌اتمي، خواص الكتريكي و خواص مغناطيسي استخراج، تحليل و ارزيابي شد. در ادامه به بررسي و تحليل خواص الكتروشيميايي مواد همچون ظرفيت، سيكل پذيري، ولتاژ و نرخ‌پذيري پرداخته شد. يكي از چالشهاي موجود براي كاربرد الكترودها در باتري‌هاي قابل‌شارژ كم‌بودن نسبي پايداري ساختاري، سيكل پذيري و نرخ جريان قابل‌اعمال (نرخپذيري) ميباشد. در اين پژوهش با استفاده از ترابرد الكتروني، توزيع بار و چگالي حالات الكتروني (DOS) به‌دست‌آمده از محاسبات انجام َشده با به‌كارگيري DFT، روشي كمي براي فهم نرخپذيري اين مواد ارائه شد. اين مقايسة بين همه كاتدها شناخته شده ارائه شد. اين نظريه ميتواند رفتار مشاهده شده در اين پژوهش و ساير پژوهشهاي گستردة انجام شده را توجيه نمايد. بر مبناي اين نظريه، چهار رهيافت جهت بررسي نرخپذيري اين مواد پيشنهاد گرديد كه عبارتاند از (الف) محاسبه موانع انتقال الكتروني، (ب) درنظرگرفتن حالت يون درج شده و يون وادرج شده ذرات به‌عنوان يك اتصال نيمه‌هادي و محاسبه اختلاف ناشي از نوارهاي ظرفيت و رسانش، (پ) درنظرگرفتن نوارهاي حاصل از اوربيتال 3d فلزات واسطه و اثر مثبت آنها در انتقال الكترون و (ت) محاسبه صريح رسانش الكتروني و بررسي آن در اتصال نيمه‌هادي.
  • تاريخ ورود اطلاعات
    1403/04/10
  • عنوان به انگليسي
    Simulation and theoretical eva‎luation on properties of fluorine cathode materials for rechargeable Li/Na -ion batteries
  • تاريخ بهره برداري
    1/1/1900 12:00:00 AM
  • دانشجوي وارد كننده اطلاعات

    هاتف يوسفي مشهور

  • چكيده به لاتين
    In this work, the effect of fluorine element on two important materials as electrodes for lithium and sodium ion batteries was studied and investigated. In the continuation of the effect, the fluorine element alone was studied as an active material. The properties and theoretical behavior of materials were investigated using density functional theory (DFT). The first category are layered metal oxide materials with the formula Li/Na M O2 (M is one or more transition metals), which are among the first commercialized electrodes and have the property of low capacity but high rate-capability. The second category of silicate materials with the chemical formula Li2MSiO4 (M one or two transition metals) which have high capacity but low rate-capability were studied. Three ranges of combinations of active matyerials were considered for the study, which include the primary raw material, alloying and doping. At first, to compare the effect of alloying and doping, raw oxide and silicate active materials were calculated. Then the calculations of alloying and doping effect of fluorine were studied in them. After calculations, physical properties such as structural stability, ion stablishments, interatomic forces, electrical and magnetic properties were extracted, analyzed and eva‎luated. In the following, the electrochemical properties of materials such as capacity, cyclability, voltage and rate capability were investigated and analyzed. One of the existing challenges for the use of electrodes in rechargeable batteries is the relatively low structural stability, cyclability and applicable current rate. In this research, using electron transport, charge distribution and density of states (DOS) obtained from the calculations performed using DFT, a quantitative method was presented to understand the rate acceptability of these materials. This comparison was presented between all known cathodes. This theory can justify the behavior observed in this study and other extensive studies. Based on this theory, four approaches were proposed to investigate the rate-capability of these materials, which are (a) calculating the electronic transfer barriers, (b) considering the state of the inserted and the extracted ion of the particles as a semiconductor junction and calculating the resulting difference from the valence and conduction bands, (c) considering the bands resulting from the 3d orbitals of transition metals and their positive effect on electron transfer and (d) the explicit calculation of electron conduction and its investigation in the semiconductor junction.
  • كليدواژه هاي فارسي
    باتري‌هاي قابل‌شارژ , نظريه تابعي چگالي , ساختارهاي فلوئوردار , خواص فيزيكي و الكتروشيميايي
  • كليدواژه هاي لاتين
    Rechargeable batteries , density functional theory , Fluorinated structures , physical and electrochemical properties
  • Author
    Hatef Yousefi Mashhour
  • SuperVisor
    Afshin Namiranian