22890

بررسي مشتقات كربن نيتريد گرافيتي به عنوان ماده الكترودي باتري ليتيم-هوا به روش محاسبات مكانيك كوانتومي

كارشناسي ارشد

نانو شيمي

1399

1399/6/26

دكتر شيد مرتضي موسوي خوشدل

دكتر رضا دانش طلب

شيمي

يكي از چالش¬هاي بزرگ بشر، نياز به ابزارهاي ذخيره سازي انرژي الكتريكي با چگالي انرژي و چرخه پذيري بالاست. باتري¬هاي ليتيمي يكي از مهم ترين ابزار¬هاي ذخيره انرژي هستند و در اين ميان، باتري¬هاي ليتيم-هوا ويژگي¬هاي منحصر به فردي دارند كه آن¬ها را بسيار برجسته و متمايز مي¬كند. چگالي انرژي بسيار بالاي اين نوع باتري(Wh/kg 11400) كه چيزي نزديك به چگالي انرژي بنزين است، بزرگترين مزيت آن است ولي هنوز برخي كاستي¬ها نظير اضافه پتانسيل بالا و چرخه¬پذيري پايين در اين باتري وجود دارد كه مانع صنعتي شدن آن شده است. در اين تحقيق، با استفاده از تغييرات انرژي آزاد، اضافه پتانسيل فرايند تخليه حاصل از استفاده از كربن نيتريد گرافيتي به عنوان كاتد باتري ليتيم-اكسيژن در چرخه اول شارژ-تخليه به كمك روش DFT بررسي شده است كه V 38/0 به دست آمده است. با توجه به جذب قوي ليتيم بر روي كربن نيتريد گرافيتي، پيش بيني مي¬شود كه ليتيم در فرايند تخليه از ساختار كاتد جدا نخواهد شد. بنابراين، اضافه پتانسيل فرايند تخليه در چرخه دوم شارژ-تخليه با فرض باقي ماندن ليتيم اوليه بر روي كاتد محاسبه شده است كه مقدار آن برابر با V 80/0 است. در ادامه، به منظور كاهش اضافه پتانسيل ايجاد شده و هم¬چنين كاهش انرژي جذب ليتيم بر روي كربن نيتريد گرافيتي، عناصري مانند گوگرد، اكسيژن و فسفر بر روي كربن نيتريد گرافيتي دوپ شده¬اند و اضافه پتانسيل آن¬ها بررسي شده است كه به ترتيب V 41/0، V 68/0 و V 70/0 به دست آمده است. با توجه به اضافه پتانسيل¬هاي به دست آمده و هم¬چنين انرژي جذب ليتيم بر روي ساختار¬هاي مورد بررسي، كربن نيتريد گرافيتي كه روي آن گوگرد دوپ شده¬است، مي¬تواند گزينه مناسبي براي استفاده به عنوان كاتد باتري ليتيم-هوا باشد.

1399/08/06

Investigation of graphitic carbon nitride derivatives as electrode material of lithium-air battery by quantum mechanical calculation method

9/17/2021 12:00:00 AM

One of the big human challenges is the need for electrical energy storage devices with high energy density and cyclicity. Lithium batteries are one of the most important energy storage tools, and among them, lithium-air batteries have unique features that make them very prominent and distinctive. The very high energy density of this type of battery (11400 Wh / kg), which is something close to the energy density of gasoline, is its biggest advantage, but there are still some shortcomings such as high potential overcharge and low cyclicity in this battery that prevent it from becoming industrialized. In this study, using free energy changes, the overpotential of the discharge process resulting from the use of graphitic carbon nitride as a cathode of lithium-oxygen battery in the first charge-discharge cycle by DFT method has been investigated, which obtained 0.38 V. Due to the strong adsorption of lithium on graphitic carbon nitride, it is predicted that lithium will not separate from the cathode structure during the discharge process. Therefore, the overpotential of the discharge process in the second charge-discharge cycle is calculated assuming that the initial lithium remains on the cathode, which is equal to 0.80 V. In order to reduce the overpotential and also to reduce the energy of lithium adsorption on graphitic carbon nitride, elements such as sulfur, oxygen and phosphorus have been doped on graphitic carbon nitride and their overpotential has been investigated. The results are 0.41 V, 0.68 V and 0.70 V, respectively. Due to the additional potentials obtained as well as the energy of lithium adsorption on the studied structures, graphitic carbon nitride doped with sulfur can be a good option for use as a cathode for lithium-air batteries.