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

دكتري

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.

189927

دانشگاه علم و صنعت ايران

شيمي - فيزيك

دكتر سيد مرتضي موسوي خوشدل