طراحي و ارزيابي آندهاي مبتني بر گرافن براي باتري‌هاي سديم‌-يوني بر پايه محاسبات DFT

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

كارشناسي ارشد

با توجه به رشد روزافزون تقاضا براي سامانه‌هاي ذخيره‌سازي انرژي و محدوديت منابع ليتيوم، توسعه باتري‌هاي سديم-يوني به‌عنوان جايگزيني مناسب براي باتري‌هاي ليتيوم-يوني مورد توجه قرار گرفته است. با اين حال شعاع يوني بزرگ‌تر سديم موجب محدوديت در نفوذ و ذخيره‌سازي آن در بسياري از مواد آندي مي‌شود و طراحي مواد آندي مناسب براي اين سامانه‌ها را به يك چالش علمي مهم تبديل كرده است. در اين پژوهش، با استفاده از شبيه‌سازي‌هاي مبتني بر نظريه تابعي چگالي (DFT)، رفتار الكتروني و الكتروشيميايي چندين ساختار مبتني بر گرافن به‌عنوان مواد آندي بالقوه براي باتري‌هاي سديم-يوني بررسي شد. در بخش نخست اثر ايجاد عيوب ساختاري شامل نقص استون-والس، جاهاي خالي يگانه و دوگانه در گرافن مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد ايجاد عيوب مي‌تواند فرآيند جذب يون سديم را به‌طور قابل توجهي بهبود بخشد. در ميان ساختارهاي بررسي‌شده، گرافن داراي جاي خالي يگانه بيشترين ظرفيت تئوري برابر با 216 ميلي‌آمپر ساعت بر گرم را نشان داد، در حالي كه براي ساختار داراي جاي خالي دوگانه ظرفيت نظري 149 ميلي‌آمپر ساعت بر گرم به دست آمد. بررسي نفوذ يون سديم نيز نشان داد كه با حضور عيوب، سد انرژي نفوذ افزايش يافته اما با افزايش تعداد عيوب كاهش مي‌يابد. در مجموع نتايج مذكور نشان مي دهد كه جاي خالي يگانه مي تواند به‌عنوان ساختار بهينه در ميان عيوب ساختاري گرافن برگزيده شود. در بخش دوم، اثر دوپ عناصر خارجي شامل نيتروژن، نيكل و دوپ همزمان نيكل و نيتروژن بر خواص گرافن بررسي شد. نتايج جذب سديم نشان داد بيشترين انرژي جذب براي ساختار دوپ‌شده با نيكل و كمترين مقدار براي گرافن دوپ‌شده با نيتروژن به دست مي‌آيد. ظرفيت تئوري براي ساختارهاي دوپ نيكل و دوپ همزمان نيكل و نيتروژن به‌ترتيب 496 و 432 ميلي‌آمپر ساعت بر گرم محاسبه شد. همچنين تحليل مسيرهاي نفوذ نشان داد كه سد انرژي نفوذ سديم در اين ساختارها نسبتاً پايين بوده و امكان انتقال سريع يون‌ها را فراهم مي‌كند. در نتيجه ساختار با دوپ همزمان نيكل و نيتروژن به‌عنوان ساختار بهينه در ميان ساختارهاي دوپ‌شده شناخته مي‌شود. در بخش سوم، ساختار كامپوزيتي گرافن-بوروفن به‌منظور مطالعه اثر مهندسي سطح بر عملكرد آندي مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد جذب سديم بر روي بوروفن قوي‌تر از گرافن است. ظرفيت تئوري براي بوروفن تك‌لايه برابر با 1240 ميلي‌آمپر ساعت بر گرم بوده و در ساختار كامپوزيتي ظرفيت مربوط به بوروفن و گرافن به‌ترتيب 670 و 70 ميلي‌آمپر ساعت بر گرم به دست آمد. نتايج همچنين نشان داد كه اين ساختار كامپوزيتي داراي مسيرهاي نفوذ متنوع براي حركت يون سديم است و سد انرژي نفوذ در امتداد دره‌هاي بوروفن به مقدار بسيار كمي كاهش مي‌يابد كه مي‌تواند انتقال يون را تسهيل كند. در نتيجه ساختار كامپوزيتي گرافن-بوروفن به‌عنوان ساختار پيشنهادي اين بخش معرفي مي‌شود. در بخش نهايي، اثر اصلاح سطح گرافن با كلاسترهاي فلزي شامل Cu، Ni، Pd و Pt بررسي شد. نتايج اين بخش نشان داد كه پايداري و رفتار الكتروني كلاسترها به ماهيت فلز وابسته است و در ميان آن‌ها كلاسترهاي پالاديوم بيشترين توانايي را در جذب يون سديم از خود نشان مي‌دهند. تحليل روابط رگرسيون نمادين نيز نشان داد كه پارامترهايي نظير مركز نوار p، مركز نوار d و تابع كار نقش تعيين‌كننده‌اي در پيش‌بيني انرژي تشكيل كلاستر دارند. در نتيجه ساختار Pd₈/graphene به‌عنوان ساختار بهينه در ميان سامانه‌هاي مبتني بر كلاستر فلزي معرفي شد. اين يافته‌ها مي‌توانند مسير طراحي و بهينه‌سازي مواد آندي مبتني بر گرافن را براي باتري‌هاي سديم-يوني هموار سازند. در ميان ساختارهاي بررسي‌شده، گرافن داراي جاي خالي يگانه، ساختار دوپ‌شده همزمان Ni–N، كامپوزيت گرافن–بوروفن و سامانه Pd₈/graphene به‌عنوان گزينه‌هاي بهينه براي كاربرد آندي در باتري‌هاي سديم-يوني معرفي شدند.

237806

شناسايي و انتخاب مواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان