Плівки дихалькогенідів перехідних металів для анодів натрій- та літій-іонних батарей

Прихожа, Юлія Олександрівна

URI: http://elibrary.kdpu.edu.ua/xmlui/handle/123456789/10659

Date: 2021

Abstract:

Дисертацію присвячено вивченню плівок дихалькогенідів перехідних металів для анодів натрій- та літій-іонних батарей. Дослідження виконано методами функціоналу електронної густини та псевдопотенціалу із перших принципів. Зберігання енергії є найважливішою складовою у розвитку стійких енергетичних ресурсів, інформаційних технологій, електричних транспортних засобів, а також побутової електроніки. Існує багато різних технологій зберігання енергії для різних систем. Літій-іонні батареї – пристрої для перетворення та зберігання електричної енергії – використовуються найчастіше та інтенсивно досліджуються для широкого спектру застосувань. Наділені привабливими властивостями, такими як висока густина енергії, довгий термін експлуатації, невеликий розмір і мала вага, літій-іонні батареї були визнані найбільш ймовірним засобом, який використовуватиметься для зберігання електроенергії в майбутньому. Для задоволення потреб у недорогих матеріалах для зберігання енергії, багато дослідників виявляють інтерес також до натрій-іонних батарей. Подібність механізмів накопичення енергії між літій- та натрій-іонними батареями дала змогу відносно швидкого їх розвитку. Анод відіграє вирішальну роль, оскільки саме його характеристики безпосередньо впливають на електрохімічні показники батарей. Однак, анодні матеріали для літій-іонних батарей на основі графіту та кремнію не підходять для системи натрій-іонних батарей. Графіт забезпечує низьку ємність системи через невідповідність величини графітового прошарку радіусу іонам натрію. Що стосується кремнію, то зберігання іонів натрію досягається лише в аморфному кремнію. Ключовим фактором є розробка високоефективних електродних матеріалів для натрій-іонних батарей та оптимізація архітектури матеріалу анодів літій-іонних батарей. Таким чином, проблема дослідження матеріалів для анодів натрій- та літій-іонних батарей є актуальною та має суттєве значення для досягнення їх високих характеристик. Так, плівки дихалькогенідів перехідних металів можуть використовуватися в якості матеріалу аноду для натрій- та літій-іонних акумуляторів. Зафіксовано оптимальну наповненість прошарку плівкового анодного матеріалу на основі SnS2 атомами Na та Li, що складала 75%, коли рух атомів металів супроводжувався найменшими енергетичними затратами. Встановлено, що в анод на основі матеріалу SnS2 більш доцільно інтеркалювати атоми Na, а не Li, адже повна енергія системи при інтеркаляції атомів Na в прошарку SnS2 менша, ніж при інтеркаляції атомів Li. Встановлено особливості перерозподілу заряду на атомах Se плівок TaSe2 з молекулами полімерних електролітів LiClO4 або (та) PEO як матеріалу аноду, що контролюють рух іонів літію та модифікації потенціальних бар’єрів для руху; виявлено, що аноди на основі плівок TaSe2 з молекулами полімерного електроліту PEO, TaSe2 з молекулами полімерних електролітів LiClO4/PEO має найменшу енергозатратність системи при доланні інтеркальованими атомами Li енергетичних бар’єрів у порівнянні із аноду, виконаного на основі плівок TaSe2 без додавання полімерного електроліту.

Description:

1. M-S Balogun, W. Qiu, J. Jian, Vanadium Nitride Nanowire Supported SnS2 Nanosheets With High Reversible Capacity as Anode Material for Lithium Ion Batteries, ACS Appl. Mater. Interfaces 5 (2015) 1-32. https//doi.org/ 10.1021/acsami.5b07044. 2. G Crabtree, E Kocs, L. Trahey, The Energy-Storage Frontier: Lithium-Ion Batteries and Beyond, MRS Bull 40 (2015) 1067-1076. https//doi.org/ 10.1557/mrs.2015.259. 3. M. S. Whittingham, Lithium Batteries and Cathode Materials, Chem. Rev. 104 (2004) 4271-4301. https//doi.org/10.1021/cr020731c. 4. B. Diouf, R. Pode Potential of Lithium-Ion Batteries in Renewable Energy, Rene. Energy 76 (2014) 375-380. https//doi.org/ 10.1016/j.renene.2014.11.058. 5. C. M. Hayner, X. Zhao, H. H. Kung Materials for Rechargeable LithiumIon Batteries, Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng. 3 (2012). 445-471. https//doi.org/ 10.1146/annurev-chembioeng-062011-081024. 6. O. Schmidt, A. Hawkes, A. Gambhir, I. Staffell, Nat. Energy 6 (2017) 17110-17115. 7. J. Lu, C. Zhan, T. Wu, J. Wen, Y. Lei, A. J. Kropf, H. Wu, D. Miller, J. W. Elam, Y.-K. Sun, X. Qiu, K. Amine, Nat. Commun 5 (2014) 5693-5672. 8. M. Thackeray, C. Wolverton, E. Isaacs, Electrical Energy Storage for Transportation – Approaching the Limits of, and Going Beyond, Lithium-Ion Batteries, Energy Environ. Sci. 5 (2012) 7854-864. https//doi.org/ 10.1039/C2EE21892E. 9. J Jiang, Y. Li, J. Liu. Recent Advances in Metal Oxide-Based Electrode Architecture Design for Electrochemical Energy Storage, Adv. Mter.24 (2012) 5166-5180. https//doi.org/10.1002/adma.201202146. 10. X. Wang, X. Li., Q. Li, Improved Electrochemical Performance Based on Nanostructure SnS2@CoS2-rGO Composite Anode for Sodium-Ion Batteries, Nano-Micro Lett. 3 (2018) 1-12. https//doi.org/10.1007/s40820-018-0200-x. 11. Y. Zhao , X. Li, B. Yan, D. Li, S. Lawes, X. Sun, Power Sources (2015) 869-974. 12. R. Seshadri, C. Martin, M. Hervieu, Structural Evolution and Electronic Properties of La1+xSr2Mn2O7, Chem. Meter. 9 (1997) 270-277. https//doi.org/ 10.1021/cm960342x. 13. J-W. Seo, J-T. Gang J-T., S-W. Park , C. Kim, B. Park, J. Cheon, Adv. Mater. 20 (2008) 4269. https//doi.org/10.1002/adma.2007.03122. 14. А. П. Щербань, В. Ю. Ларін, Принцип роботи та особливості використання літій-полімерних акумуляторів, Technology Audit and Production Reserves 3/2(23) (2015) 83-88. https//doi.org/10.15587/2312- 8372.2015.42517. 15. М. В. Бик, С. В. Фроленкова, О. І. Букет, Технічна електрохімія 2: Хімічні джерела струму [Електронний ресурс]: підручник для студ. спеціальності 161 «Хімічні технології та інженерія», спеціалізації «Електрохімічні технології неорганічних та органічних матеріалів» (2018) 321 с. 16. А. А. Таганова, Ю. И. Бубнов, С. Б. Орлов, Герметичные химические источники тока: Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации: справочник Химиздат (2005) 264 с. 17. С. О. Криллов, Перезаряджуваний світ. нобелівська премія з хімії 2019 року, Вісн. НАН України 12 (2019) 33-42. https://doi.org/ 10.15407/visn2019.12.033. 18. В. А. Білогуров, Порівняння основних характеристик хімічних джерел струму різних електрохімічних систем, Сучасна спеціальна техніка 3(50) (2017) 124-134. 19. А. Б. Турганбай, Б. Т. Лесбаев, М. Нажипкызы, Создание наноструктурированных композитних материалов для хранения энергии, Горение и плазмохимия 17 (2019) 158-166. 20. L. Zhixiao, H. Deng, P. Partha, Evaluating Pristine and Modified SnS2 as a Lithiumion Battery Anode: First-Principles Study, ACS Appl. Mater. Interfaces 36 (2017) 1. https//doi.org/10.1021/am5068707. 21. А. Г Морачевский, А. А. Попович, А. И. Демидов, Натрий-серный аккумулятор: новые направления развития, Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки 23(4) (2017) 110-117 https//doi.org/10.18721/JEST.230410. 22. S. Su, W. Wu, J. Gao, J. Luand, C. Fan, J. Mater, Chem.22 (2012) 18101-18110. 23. Y. Sun, S. Liu, F. Meng, M. Liu, Z. Jin, L. Kongand, J. Liu, Sensors 12 (2012) 2610-2631. 24. J. A. Wilson, F. J. Di Salvo, S. Mahajan, Charge-Density Waves and Superlattices in the Metallic Layered Transition Metal Dichalcogenides, Adv. Phys. 24 (1975) 117-201. https//doi.org/10.1080/00018737500101391. 25. Д. І. Блекан, В. В. Фролова, Вплив методів та умов на електричні властивості кристалів SnS2, Науковий вісник Ужгородскього університету. Серія: Фізик 37 (2015) 12-14. 26. L. A Chernozatonskii, A. A. Artukh, Phys. Usp. 61 (2018) 2-28. 27. V. L. Kalikhman, Ya. S. Umanskii, Sov. Phys. Usp. 15 (1973) 728-741. 28. X. Duan, C. Wang, A. Pan, R. Yu, X. Duan, Chem. Soc. Rev. 44 (2015) 8859. 29. В. П Пономаренко, В. С. Попов, Е. Л. Чепурнов, Фото- и наноэлектроника на основе двумерных 2D-материалов (обзор) (Часть I. 2Dматериалы: свойства и синтез), Успехи прикладной физики 7 (2019) 10-48. 30. Г. В. Камарчук, А. В. Хоткевич, А. В. Савицкий, Функция электронфононного взаимодействия в слоистом дихалькогениде 2Ha-TaSe₂, Физика низких температур 35(7) (2009) 687-693. 31. Z. Li, J. Ding, D. Mitlin, Tin and Tin Compounds for Sodium Ion Battery Anodes: Phase Transformations and Performance, Acc. Chem. Res. 16,48(b) (2015) 1657-1665. 32. М. А. Брюшинин, Г. Б. Дубровский, А. А. Петров, Нестационарная фотоэдс в кристаллах дисульфида олова в условиях сильного приповерхностного возбуждения, Физика твердого тела 44 (B7) (2002) 1203- 1205. 33. A. Leblanc, M. Danot,J. Rouxel, Bull. Soc. Chim. Fr. 1 (1969) 87-90. 34. J. Rouxel, A. Leblanc, A. Royer, Bull. Soc. Chim. Fr. 6 (1971) 20-29. 35. S. Wittingham, Solid State Chem. Pergamon press UK 12 (1978) 41-57. 36. D. Larcher, J. M. Tarascon J. M., Nat. Chem. 7 (2015) 19 -25. 37. B. Sipos, A. F. Kusmartseva, A. Akrap, H. Berger, L. Forro, E. Tutis, Nat Mater 7(12) (2008) 960-965. 38. A. Kuc, N. Zibouche, T. Heine, Phys. Rev. 83(24) (2011) 245213. 39. M. Chhowalla, H. S. Shin, G. Eda, L.-J. Li, K. P. Loh, H. Zhang, Nat Chem. 5(4) (2013) 263-275. 40. Y. Jaing, M. Wei, J. Feng, Y., Enhancing the Cycling Stability of Na-Ion Batteries by Bonding SnS2 Ultrafine Nanocrystals on Amino-Functionalized Graphene Hybrid Nanosheets, Energy Environ. Sci. 9 (2016) 1430-1438. 41. B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti, A. Kis, Nat. Nanotec 6(3) (2011) 147-150. 42. D. Lembke, A. Kis, ACS Nano 6 (2012) 10070-10081. 43. B. Radisavljevic, A. Kis, Nat. Mater 12 (2013) 815-827. 44. B. Radisavljevic, M. B. Whitwick, A. Kis, ACS Nano 5 (2011) 9934- 9943. 45. G. Fine, L. Cavanagh, A. Afonja, R. Binions, Sensors 10 (2010) 5469- 5502. 46 Г. Б. Дубровский, Кристаллическая структура и электронный спектр SnS2,Физика твердого тела, 40(9) (1998) 1712-1718. 47. H. Leming, Discussion of the Relationship Between the Structure of the Transition Metal Dichalcogenides and Their Lubrication Performance, ASLE 36th Annual Meeting, Pittsburgh (1981) 121-149. 48. T. H. Geballe, Layered Transition Metal Dichalcogenides in: Superconductivity in D- and F-Band Metals, New York-Rochester (1971) 237-242. 49. A. D. Jobbe, Electronic Properties of Two-Dimensional Solids: the Layer-Type Transition Metal Dichalcogenides, in: Festtk Srperproblem, XIlI (1973) 1-29. 50. H. Luo, W. Xie, J. Tao, H. Inoue, A. Gyenis, J. W. Krizan, A. Yazdani, Y. Zhu, R. Cava, Journal Proceedings of the National Academy of Sciences 112(11) (2015) E1174-E1180. 51. S. V. Dordevic, D. N. Basov, R. C. Dynes, B. Ruzicka, V. Vescoli, L. Degiorgi, H. Berger, R. Gaál, L. Forró, E. Bucher, Eur. Phys. J. B. 33(1) (2003) 15-23. 52. H. Lee, M. Garcia, H. Mckinzie, A. Wold, Journal Solid State Chem. 1(2) (1970) 190-194. 53. Z. Yan, C. Jiang, T. R. Pope, C. F. Tsang, J. L. Stickney, P. Goli, J. Renteria, T. T. Salguero, A. A. Balandin, Appl. Phys. 114(20) (2013) 204301. 54. Gruner G. // Rev. of Modern Phys. – 1988. – V.60(4). –P. 1129 – 1182. 55. T. Stephenson, Z. Li, B. Olsen, D. Mitlin, Energy & Environmental Science 7(1) (2014) 209-231. 56. A. Ambrosi, Z. Sofer, M. Pumera, Small 11(5) (2015) 605-612. 57. J. Zheng, H. Zhang, S. Dong, Y. Liu, C. Tai Nai, H. Suk Shin, Young, Nat Commun 5 (2014) 28-40. 58. F. Kadijk, R. Huisman, F. Jeillinek, Niobium and Tantalum Diselenides, Recueil 83(7) (1964) 768-775. https//doi.org/10.1002/recl.19640830718. 59. J. Shi, X. Chen, L. Zhao, Chemical Vapor Deposition Grown WaferScale 2D Tantalum Diselenide With Robust Charge-Density-Wave Order, Adv. Mater. (2018) 1-9. https//doi.org/10.1002/adma.201804616. 60. R. Huisman, F. Jellinek, On the Polymorphism of Tantalum Diselenide, Journal of the Less Common Metals 17(1) (1969) 111-117. https//doi.org/ 10.1016/0022-5088(69)90041-1. 61. R. Samnakay, D. Wickramaratne, T. Pope, The Zone-Folded Phonons and the Commensurate – Incommensurate Charge-Density-Wave Transition in 1TTaSe2 Thin Films, Nano Lett., Just Accepted Manuscript 30 (2015) https//doi.org/10.1021/nl504811s. 62. T. R. Pope, Synthesis and Reactivity of Two-Dimensional Materials: Layered Transition Metal Dichalcogenides and Templated Bismuth Tungstate, Dissertation Submitter to the Graduate Faculty of the University of Georgian in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree (2015) 127 p. 63. G. Sabaratnasingam, Thermopower of Tantalum Diselenide in the Chargewave Regime, Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science (1985) 106 p. 64. J.-A. Yan, M. Cruz, B. Cook, Structural, Electronic and Vibrational Properties of Few-layer 2H- and 1T-TaSe2, Sci. Rep. 5 (2015) 16646. https//doi.org/10.1038/srep16646. 65. B. Brown, B. E. Beernts,. Layer Structure Polytypism Among Niobium and Tantalum Selenides, Acta Cryst, 18 (1965) 31-36. https//doi.org/ 10.1107/S0365110X65000063. 66. К. Ш. Рабаданов, М. М. Гафуров, М. А. Ахмедов, Электропроводность полимерного электролита ПВС-ПТК-LiClO4, Вестник Дагестанского государственного университета. Серия 1. Естественные науки 34(2) (2019) 98-104. 67. М. В. Андриянова, Р. Д. Апостолова, Л. И. Недужко, Полимерные электролиты на основе аммониевых интерполимерных комплексов для тонкослойных литий-ионных источников тока, Вопросы химии и химической технологи 1 (2008) 119-123. 68. W. G. Syromyatnikow, L. P. Paskal, O. A. Mashkin, Polymeric electrolytes for lithium-containing chemical power elements, Успехи химии (1995) 265-274. 69. Балабай Р. М. Обчислювальні методи із перших принципів у фізиці твердого тіла: квантово-механічна молекулярна динаміка: монографія. Кривий Ріг: Видавничий дім (2009) 124 с. 70. П Цише, Г. Леманн, Достижения электронной теории металлов в 2- х томах, Мир (1984) 150 с. 71. У Харрисон, П. Краско, Р. Суриса, Псевдопотенциалы в теории металлов, Мир (1986) 366 с. 72. W. Kohn, L. J. Sham, Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects, Phys. Rev. 140 (1965) 1133-1138. https://doi.org /10.1103/PhysRev.140.A1133. 73. J. Hafner, A. Wolverton, G. Cader, Toward Computational Materials Design: the Impact of Density Functional Theory on Materials Research Christohper, MRS Bullrtin 31 (2006) 659-668. 74. В. И. Кодолов, Н. В. Хохряков, Химическая физика процессов формирования и превращения наноструктур и наносистем, Ижевск (2008) 723 с. 75. В. И. Кодлов, Н. В. Хохряков, В. В. Тринеева, Активность наноструктур и проявление ее в нанореакторах полимерных матриц и в активных средах, Химическая физика и мезоскопия 10(4) (2008) 448-460. 76. J. I-C. Wu, Y. Mo, F. A. Evvangelista, Is Cyclobutadiene Really Highly Destabilized by Antiaromaticity 11 (2012) 1-4. https//doi.org/ 10.1039/c0xx00000x. 77. A. Samad, M. Noor-A-Alam, Y-H Shin, First Principles Study of a SnS2/Graphene Heterostructure: a Promising Anode Material for Rechargeable Na Ion Batteries, Mater. Chem. A. 4 (2016). 14316-14323. https//doi.org/ 10.1039/c6ta05739j. 78. L. Zhi, J. Ding, D. Mitlin, Tin and Tin Compounds for Sodium Ion Battery Anodes: Phase Transformations and Performance, Acc. Chem. Res. 4 (2015) A-I. https//doi.org/10.1021/acs.accounts.5b00114. 79. S. Yang, C. Jiang, S. Wei,. Gas Sensing in 2D Materials, Appl. Phys. Rev. 4 (2017) 021304-1-021304-34. https//doi.org/10.1063/1.4983310. 80. A. Giberti, A. Gaiardo, B. Fabbri, Tin (IV) Sulfide as a New Gas Sensing Materials, Sensors and Actuators B: Chemical (2015) 1-20. https//doi.org/ 10.1016/j.snb.2015.10.007. 81. Wu. Yueshen, H. Lian, J. He, Lithium Ion Intercalation in Thin Crystals of Hexagonal TaSe2 Gated by a Polymer Electrolyte , Appl. Phys. Lett. 112 (2018) 023502-1-023502-6. https//doi.org/10.1063/1.5008623. 82. Ab initio calculation [Електронний ресурс] – Режим доступу до ресурсу: http://sites.google.com/a/kdpu.edu.ua/calculationphysics. 83. R. Pawellek, M. Fahnle, C. Elsasser, First Principles Calculation of the Relacation Around a Vacancy and the Vacancy Formation Energy in BCC Li, Phys. Condens. Matter 3(14) (1991) 2451-2455. 84. C. Hartwigsen, S. Goedecker, J. Hutter, Relativistic Separable DualSpace Gaussian Pseudopotentials From H to Rn ,Phys. Rev. 58(7) (1998) 3641- 3662. 85. K. Yin, M. Zhang, Z. D. Hood, Self-Assembled Framework Formed During Lithiation of SnS2 Nanoplates Revealed by in Situ Electron Microscopy, Acc. Chem. Res. 50 (2017) 1513-1520. https//doi.org/ 10.1021/acs.accounts.7b00086. 86. S. Xio, C. Shan-Liang, F. Haining, Metallic State SnS2 Nanoshrrts With Expanded Lattice Spacing for High Performance Sodium-Ion Battery, Chem. Sus. Chem. (2019) 1-19. https//doi.org/10.1002/cssc.201901355. 87. A. Zhu, L. Qiao, P. Tan, Temlate-Free Synthesis of Novel SnS2 Array and Its Superior Performances for Lithium Ion Battery, Solid State Chem. 18 (2018) 30049-5. https//doi.org/10.1016/j.ssc.2018.02.004. 88. С. А. Созыкин, А. Н. Соболев, Физика наноразмерных систем. Часть 1, ЮУрГУ, (2016) 113 с. 89. M. Wu, B. Xin, W. Yang, B. Li, H. Dong, Y. Cheng, W. Wang, F. Lu, W.-H. Wang, H. Liu, Metallic Monolayer Ta2Cs2: An Anode Candidate for Li+ , Na+ , K+ , and Ca2+ Ion Batteries, Appl. Energy Mater., (2020) A-G, https://dx.doi.org/10.1021/acsaem.0c01748. 90. A. Samad, M. Noor-A-Alam, Y.-H. Shin, First Principles Stady of a SnS2/grapheme heterostructure: A Promising Anode Material for Rechargeble Na Ion Batteries, J. Mater. Chem. A (2016), 14316-14323, https://doi.org/10.1039/ c6ta05739j. 91. T. Liu, Z. Jin, D-X Liu, C. Du, L. Wang, H. Lin, Y. Li, A Density Functional Theory Study of High-Performance Pre-Lithiated MS2 (M=Mo, W, V) Monolayers as the Anode Material of Lithium Ion Batteries, Scientific Reports (2020), 1-7, https://doi.org/10.1038/s41598-020-63743-9. 92. Q. He, B. Yu, Z. Li, Y. Zhao, Density Functional Theory for Battery Materials, Energy Environ. Mater (2019), 264-279, https://doi.org/10.1002/ eem2.12056. 93. T. J. Willis, F. G. Porter, D. J. Voneshen, S. Uthayakumar, F. Demmel, M. J. Gutmann, M. Roger, K. Refson, J. P. Goff, Diffusion Mechanism in thr Sodium-Ion Battery Material Sodium, Scientific Reports (2018) 1-10, https://doi:10.1038/s41598-018-21354-5. 94. K. Volgman, V. Epp, J. Langer, B. Stanje, J. Heine, S. Nakhal, M. Lerch, M. Wilkening, P. Heitjans, Solid-State NMR to Stady Translational Li Ion Dynamics in Solids with Low-Dimensional Diffusion Pathways, Phys. Chem (2017) 1215-1241, https://doi:10.1515/zpch-2017-0952. 95. Y. S. Meng, M. Elena Arroyo-de Dompablo, First Principles Computation Materials Design for Energy Storage Materials in Lithium Ion Batteries, Energy Environ. Sci. (2009), 589-609, https://doi:10.1039/b901825e. 96. L. Simon, G. Lastra, J. Maria, V. Tejs, A Density Functional Theory Study of the Ionic and Electronic Transport Mechanisms in LiFeBO3 Battery Electrodes, J. of Phys. Chem. C (2016) 18355-18364, https://doi:10.1021/acs.jpcc.6b03456. 97. S. Ullah, P. A. Denis, F. Sato, Unsual Enhancement of the Adsorption Energies of Sodium and Potassium in Sulfur0Nitrogen and Silicon-Boron Codoped Graphene, ACS Omega (2018) 15821-15828, https://doi:10.1021/acsomega. 9b02500. 98. Y. Cao, F. Pan, H. Wang, Z. Yang, J. Sun, Density Functional Theory Calculations for the Evaluation of FePS3 as a Promising Anode for Mg Ion Batteries (2020) https://doi:10.1007/s12209-020-0025309.

Show full item record