نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
دانشکده مهندسی انرژی و فیزیک دانشگاه امیرکبیر، تهران
چکیده
طراحی و شناسایی الکترولیت‌های جامد می‌تواند منجر به پیدا کردن باتری‌های حالت جامد ایمن‌تر و کارامد‌تر در محدوۀ دمایی گسترده‌تر برای سلول‌های سوختی شود. برای پیدا کردن الکترولیت‌های جامد بیش از 200،000 ساختاری بلوری پایگاه داده‌ای ICSD (Inorganic Crystal Structure Data base) وجود دارد و در میان آنها بیش از 44000 ساختار تجربی در جستجوی راه حل‌هایی برای پیشرفت در ذخیره‌سازی انرژی در نظر گرفته شده است. بنابراین پیش از ساخت الکترولیت‌های جامد، نیاز به روش‌های محاسباتی جدیدی داریم تا بتوانیم به کمک آن، با سرعت و دقت بیشتری نسبت به گذشته، ساختار مناسب از میان همۀ این ساختار‌های موجود را انتخاب کنیم. جامدات رسانای ابر یونی یکی از اجزای اصلی در ذخیره‌سازی و تبدیل انرژی هستند و توسعۀ این هادی‌های جدید، بدون درک جامع سازوکارهای مهاجرت یون در این ساختارها، غیرممکن است. NaSICON یک الکترولیت جامد مبتنی بر اکسید با یک چارچوب سه بعدی است. (NZP) و (LZP) رومبوهدرال دو نمونۀ اولیۀ همه مواد از نوع NaSICONها هستند. در این پژوهش، ما با رویکرد محاسباتی جدیدی، نشان دادیم که با تغییر یون سدیم با لیتیوم در ساختار NaSICONها، چه میزان انرژی فعالسازی، که نقش تعیین کننده‌ای در طراحی و تولید باتری‌های تمام حالت جامد دارد، تغییر می‌کند و به این پرسش که آیا با این تغییر، مسیر حرکت یون‌های سدیم و لیتیوم در داخل ساختار کریستالی، ثابت می‌مانند یا خیر، پاسخ دادیم.طراحی و شناسایی الکترولیت‌های جامد می‌تواند منجر به پیدا کردن باتری‌های حالت جامد ایمن‌تر و کارامد‌تر در محدوۀ دمایی گسترده‌تر برای سلول‌های سوختی شود. برای پیدا کردن الکترولیت‌های جامد بیش از 200،000 ساختاری بلوری پایگاه داده‌ای ICSD (Inorganic Crystal Structure Data base) وجود دارد و در میان آنها بیش از 44000 ساختار تجربی در جستجوی راه حل‌هایی برای پیشرفت در ذخیره‌سازی انرژی در نظر گرفته شده است. بنابراین پیش از ساخت الکترولیت‌های جامد، نیاز به روش‌های محاسباتی جدیدی داریم تا بتوانیم به کمک آن، با سرعت و دقت بیشتری نسبت به گذشته، ساختار مناسب از میان همۀ این ساختار‌های موجود را انتخاب کنیم. جامدات رسانای ابر یونی یکی از اجزای اصلی در ذخیره‌سازی و تبدیل انرژی هستند و توسعۀ این هادی‌های جدید، بدون درک جامع سازوکارهای مهاجرت یون در این ساختارها، غیرممکن است. NaSICON یک الکترولیت جامد مبتنی بر اکسید با یک چارچوب سه بعدی است. (NZP) و (LZP) رومبوهدرال دو نمونۀ اولیۀ همه مواد از نوع NaSICONها هستند. در این پژوهش، ما با رویکرد محاسباتی جدیدی، نشان دادیم که با تغییر یون سدیم با لیتیوم در ساختار NaSICONها، چه میزان انرژی فعالسازی، که نقش تعیین کننده‌ای در طراحی و تولید باتری‌های تمام حالت جامد دارد، تغییر می‌کند و به این پرسش که آیا با این تغییر، مسیر حرکت یون‌های سدیم و لیتیوم در داخل ساختار کریستالی، ثابت می‌مانند یا خیر، پاسخ دادیم.
کلیدواژه‌ها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Investigating and comparing the penetration mechanism and diffusion path of sodium and lithium in the structure of NaSICONs
نویسندگان [English]
- Mohammad Reza Valizadeh
- Farah Marsusi
Department of Physics, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran, Iran.
چکیده [English]
The design and identification of solid electrolytes can lead to finding safer and more efficient solid state batteries in a wider temperature range for fuel cells. There are more than 200,000 crystal structures in the ICSD database for finding solid electrolytes, and among them, more than 44,000 experimental structures have been considered in the search for solutions for advances in energy storage. Therefore, before making solid electrolytes, we need new calculation methods so that we can choose the appropriate structure among all these existing structures with the help of it, more quickly and accurately than in the past. Super ionic conductor solids are one of the main components in energy storage and conversion, and the development of these new conductors is impossible without a comprehensive understanding of ion migration mechanisms in these structures. NaSICON is an oxide-based solid electrolyte with a three-dimensional framework. NZP (NaZr2P3O12) and rhombohedral LiZr2P3O12 (LZP) are the two prototypes of all NaSICONs. In this research, with a new computational approach, we showed that by changing the sodium ion with lithium in the structure of NaSICONs, the amount of activation energy, which plays a decisive role in the design and production of all-solid-state batteries, changes and we have answered the question whether with this change, the path of movement of sodium and lithium ions inside the crystal structure remains constant or not.
کلیدواژه‌ها [English]
- solid electrolyte
- molecular dynamics
- super ionic conductor
- sodium ion
- bond valence
- X Feng, H Fang, N Wu, P Liu, P Jena, J Nanda, and D Mitlin, B 6 (2022) 543.
- L Ye-Fei and L Zhi-Pan, Rev. Lett. 128 (2022) 226102.
- L Kong, Li C, J Jiang, and MG Pecht, Energies 11 (2018) 2191.
- PV Chombo and Y Laoonual, J Power Sources 478 (2020) 228649.
- R Chen, W Qu, X Guo, L Li, and F Wu, Mater Horiz 3 (2016) 487.
- X Liang, L Wang, X Wu, X Feng, Q Wu, Y Sun, H Xiang, and J Wang, Energy Chem. 73 (2022) 370.
- N Zhao, W Khokhar, Z Bi, C Shi, X Guo, L-Z Fan, and C-W Nan, Joule 3 (2019) 1190.
- https://www.gep.com/blog/strategy/lithium-ion-vs-sodium-ion-battery.
- H P Hong, Res. Bull 11 (1976) 173.
- J Goodenough, H P Hong, and J Kafalas, Res. Bull. 11 (1976) 203.
- J P Boilot, G. Collin, and P. Colomban, Solid State Chem. 73 (1988) 160.
- R P Rao, H Chen, and S Adams, Mater 31 (2019) 8649.
- S Adams, “Practical Considerations in Determining Bond Valence Parameters. In Bond Valences Struct”, Springer 158 (2014) 91.
- H Chen, L. L Wong, and S Adams, Eng. Mater 75 (2019) 18.
- S Adams and RP Rao, Phys Status Solidi A 208 (2011) 1746.
- S Adams, Acta Crystallogr. B 57 (2001) 278.
- H Chen, L. L Wong, and S. Adams, Acta Crystallogr. B 75 (2019) 18.
- S Adams and RP Rao, Mater. Chem 22 (2012) 1426.
- L L Wong, K Phuah, R Dai, H Chen, W Shin Chew and S Adams, Mater. Chem 33 (2021) 625.
- B He, S Chi, A Ye, et al. , SciData7 (2020) 151.
- J P Boilot, G Collin, and P Colomban, Res. Bull. 22 (1987) 669.
- J P Boilot, G Collin, and P Colomban, Solid State Chem. 73 (1988) 160.
- D T Qui, J J Capponi, J C Joubert, and R D Shannon Solid State Chem. 39 (1981) 219.
- D T Qui, J J Capponi, M. Gondrand, M. Saïb, J. C. Joubert, and R. D. Shannon, Solid State Ionics 3 (1981) 219.
- H Kohler and H Schulz, Solid State Ionics 9 (1983) 795.
- H Kohler and H Schulz, Res. Bull 20 (1985) 1461.
- H Kohler and H Schulz, Res. Bull 21 (1986) 23.
- E R Losilla, M A Aranda, S Bruque, M A Paris, J Sanz, and A R West, Mater 10 (1998) 665.
- D Mazza, Solid State Chem 156 (2001) 154.
- P. Kumar and S. Yashonath, J. Phys. Chem. B 106 (2002) 7081.
- Z Jian, C Yuan, W Han, X Lu, L Gu, X Xi, Y S Hu, H Li, W Chen, D Chen, Y Ikuhara, and L Chen, Funct. Mater 24 (2014) 4265.
- Y Deng, C Eames, L H B Nguyen, O Pecher, K J Griffith, M Courty, B Fleutot, J N Chotard, C P Grey, M S Islam, and C Masquelier, Mater 30 (2018) 2618.
- Z Zhang, Z Zou, K Kaup, R Xiao, S Shi, M Avdeev, Y S Hu, D Wang, B He, H Li, X Huang, L F Nazar, and L Chen, Energy Mater 9 (2019) 1902373.
- Z Zou, , N Ma , A Wang , Y Ran, T Song, Y Jiao, J Liu, H Zhou, W Shi, B He, D Wang, Y Li, M Avdeev, and S Shi, Energy.Mater 10(2020) 2001486.
- H Zhiwei, Z Bingkai, Z Jiajie, L Zhan, and P Feng, American Chemical Society 13 (2021) 50948.
)