شماره مدرك
21198
شماره راهنما
18164
پديد آورنده
جعفري دستگردي، علي
عنوان
طراحي و ارزيابي آندهاي مبتني بر گرافن براي باتريهاي سديم-يوني بر پايه محاسبات DFT
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
شناسايي و انتخاب مواد
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
دوازده، 110ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
باتري هاي سديم-يوني , نظريه تابعي چگالي , گرافن , عيوب ساختاري , دوپ نيكل و نيتروژن , ظرفيت ذخيره سازي سديم , مواد آندي , كلاسترهاي فلزي
تاريخ ورود اطلاعات
1405/05/20
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مواد
دانشكده
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/05/26
كد ايرانداك
23242482
چكيده فارسي
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.
چكيده انگليسي
Due to the growing demand for energy storage systems and the limited availability of lithium resources, the development of sodium-ion batteries has attracted attention as a suitable alternative to lithium-ion batteries. However, the larger ionic radius of sodium restricts its diffusion and storage within many anode materials, making the design of suitable anode materials a significant scientific challenge. In this study, density functional theory (DFT)-based simulations were employed to investigate the electronic and electrochemical behavior of various graphene-based structures as potential anode materials for sodium-ion batteries. In the first part, the effects of structural defects, including Stone–Wales defects as well as single and double vacancies in graphene, were systematically examined.The results showed that the creation of defects can significantly improve the sodium ion adsorption. Among the investigated structures, single vacancy exhibited the highest theoretical capacity of 216 mAh/g, while double vacancy graphene shows a lower capacity of 149 mAh/g. Diffusion analysis further indicates that defect incorporation increases the energy barrier for sodium-ion migration; however, this barrier decreases as the defect concentration increases. Overall, these findings identify the single vacancy configuration as the most favorable structure among the examined graphene defects. In the second section, the effect of doping with external elements including N, Ni, and Ni–N co-doping, on the properties of graphene were examined. The sodium adsorption results showed that Ni-doped graphene exhibited the highest adsorption energy, whereas nitrogen-doped graphene showed the lowest value. The theoretical capacities of the Ni-doped and Ni–N co-doped structures were calculated to be 496 and 432 mAh/g, respectively. In addition, diffusion pathways analysis indicated that the sodium diffusion energy barrier in these structures were relatively low, facilitating rapid ion transport. Consequently, the Ni–N co-doped structure was recognized as the most favorable among the doped systems. In the third section, the graphene–borophene composite structure was investigated to assess the effect of surface engineering on anode performance. The results showed that sodium adsorption on borophene is stronger than on graphene. The theoretical capacity of monolayer borophene was calculated to be 1240 mAh/g, whereas the composite structure exhibited capacities of 670 and 70 mAh/g for borophene and graphene, respectively. The results also showed that this composite offers multiple diffusion pathways for sodium ion transport, and the diffusion energy barrier along the borophene valleys decreases only slightly, which can facilitate ion transport. As a result, the graphene–borophene composite structure is proposed as the most favorable structure in this section. In the final section, the effect of graphene surface modification with metal clusters, including Cu, Ni, Pd, and Pt was investigated. The results showed that the stability and electronic behavior of the clusters depend on the nature of the metal, and among them, palladium clusters exhibited the highest affinity for sodium ions adsorption. Symbolic regression analysis also showed that parameters such as the p-band center, d-band center, and work function play decisive role in predicting the cluster formation energy. Consequently, the Pd₈/graphene structure was identified as the most favorable system among the metal cluster-based configurations. These findings may help guide the design and optimization of graphene-based anode materials for sodium-ion batteries. Among the structures investigated, graphene with a single vacancy, the Ni–N co‑doped configuration, the graphene–borophene composite, and the Pd₈/graphene system were identified as optimal candidates for anode applications in sodium‑ion batteries.
استاد راهنما
مسعود پنجه پور
استاد داور
فتح اله كريم زاده , اسماعيل عبدالحسيني سارسري