نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

بررسی ویژگی های مکانیک کوانتومی برخی نانو لوله های کربنی و نیترید بور دسته صندلی برای ایجاد باتری های یون منیزیم: یک مطالعه محاسباتی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه زابل، زابل، ایران
چکیده
باتری­های قابل شارژ یون منیزیم  برای ذخیره­ی انرژی الکتریکی مفید هستند زیرا فراوانی و چگالی انرژی منیزیم از لیتیم بیشتر است. در این تحقیق، با استفاده از محاسبات مکانیک کوانتومی ساختار اولیه­ی نانولوله­ های کربنی تک­دیواره دسته ­صندلی (4و4)، (5و5) و (6و6) با استفاده از روش ­M06-2X و مجموعه پایه ­ی (d,p) 6-31g توسط بسته نرم­افزاری گوسین ۰۹ بهینه شده است. سپس، برهمکنش یون منیزیم با این ساختارها مطالعه شد تا قابلیت آنها برای ساخت باتری­های منیزیمی ارزیابی شود. نتایج نشان می­ دهد که کمپلکس­ های ایجاد شده از این ساختارها انرژی­ های اتصال خوبی دارند و هرچه قطر خارجی نانو­لوله ­ها بیشتر باشد انرژی اتصال مطلوب­تر است. در واقع، فاصله انرژی این نانو­لوله­ ها با افزایش قطر نانولوله­ کاهش می­یابد و بر قدرت اتصال آنها به یون منیزیم تأثیر می گذارد. از طرفی، نانو­لوله­ های نیترید­بور متناظر با نوع کربنی نیز با روش مشابهی بهینه شد و برهمکنش یون منیزیم با این ساختارها نیز بررسی شد. نتایج نشان می­دهد که نانو­لوله­ های نیترید­بور با قطر خارجی کمتر کمپلکس­های با انرژی اتصال بیشتر با یون منیزیم تشکیل می ­دهند. به طور کلی، هر دو نوع این نانو­لوله ­ها گزینه ­های خوبی برای تهیه­ ی ماده­ی آندی در باتری­ های یون منیزیم هستند. سرانجام، بیشتر شدن انرژی اتصال کمپلکس ­های آنها با یون منیزیم با افزایش ولتاژ باتری همراه است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Fong R., Stacken U. V., Dhan J., Studies of Lithium Intercalation into Carbons Using Nonaqueous Electrochemical Cells, Journal of electrochemical society (JES), 137(7): 2009-2013 (1990).
[2] Wakihara M., Recent developments in Lithium Ion Batteries, Materials Science and Engineering: R: Reports. (MSER) 33(4): 109134 (2001).
[3] Vessally E., Gharibzadeh F., Edjlali L., Eshaghi M., Mohammadi R., A DFT Study on Sumanene, Corannulene and Nanosheet as the Anodes in Li−Ion Batteries, Iran. J. Chem. Chem. Eng. (IJCCE), 39(6): 51-62 (2020).
[4] Xu W., Wang J., Ding F., Chen X., Nasybulin E., Zhang Y., Zhang J. G., Lithium Metal Anodes for Rechargeable Batteries, Energy & Environmental Science (EES), 7: 513–537 (2014).
[5] Kim S. W., Seo D. H., Ma X., Ceder G. K., Kang K., Electrode Materials for Rechargeable Sodium‐Ion Batteries: Potential Alternatives to Current Lithium‐Ion Batteries, Advanced Energy Materials (AEM), 2: 710–721 (2012).
[6] Cao  X., Wang L., Chen J., Zheng J., A Low-Cost Mg2+/Na+ Hybrid Aqueous Battery, Journal of Materials Chemistry A (JMCA), 6: 15762-15770 (2018).
[7]  کریمی، پویا؛ سنچولی، محمود، مطالعه­ی قابلیت نانو­ساختار­های بر پایه­ی گرافن به عنوان باتری­های یون سدیم، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 38(4): 23 تا 30 (1398).
[8] Karimi P., Effects of Structure and Partially Localization of the π Electron Clouds of Single-Walled Carbon Nanotubes on the Cation-π Interactions, Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering (IJCCE), 35: 35–43 (2016).
[9] Mohammad Alipour F., Babazadeh M., Vessally E., Hosseinian A., Delir Kheirollahi Nezhad P., A Computational Study on the Some Small Graphene-Like Nanostructures as the Anodes in Na−Ion Batteries, Iran. J. Chem. Chem. Eng. (IJCCE), 40(3): 691-703 (2021).
[10] Nejati K., Hosseinian A., Edjlali L., Vessally E., The Effect of Structural Curvature on the Cell Voltage of BN Nanotube Based Na-ion Batteries, Journal of Molecular Liquids (JML), 229: 167–171 (2017).
[11] Hosseinian A., Soleimani-amiri S., Arshadi S., Vessally E., Edjlali L., Boosting the Adsorption Performance of BN Nanosheet as an Anode of Na-ion Batteries: DFT studies, Physics Letters A (PLA), 381(24): 20102015 (2017).
[12] Novak P., Imhof R., Haas O., Magnesium Insertion Electrodes For Rechargeable Nonaqueous Batteries — A Competitive Alternative to Lithium?, Electrochimica Acta (EA), 45: 351–367 (1999).
[13] Aurbach  D., Gofer  Y., Lu  Z., Schechter A., Chusid O., Gizbar H., Cohen Y., Ashkenazi V., Moshkovich M., Turgeman R., A Short Review on the Comparison Between Li Battery Systems and Rechargeable Magnesium Battery Technology, Journal of Power Sources (JPS), 97: 28–32 (2001).
[13] Karger Z., Bardaji M. E. G., Fuhr O., Fichtner M., A New Class of Non-Corrosive, Highly Efficient Electrolytes For Rechargeable Magnesium Batteries, Journal of Materials Chemistry A (JMCA), 5(22): 10815–10820 (2017).
[14] Huie M. M., Bock D. C., Takeuchi E. S., Marschilok A. C., Takeuchi K. J., Cathode Materials For Magnesium and Magnesium-ion Based Batteries, Coordination Chemistry Reviews (CCR), 287: 15–27 (2015).
[15] Zhang R., Yu X., Nam K.W., Ling C., Arthur T. S., Song W., Knapp A. M., Ehrlich S. N., Yang X. Q., Matsui M., α-MnO2 as a Cathode Material For Rechargeable Mg Batteries, Electrochemistry Communications (EC), 23: 110–113 (2012).
[16] Tao Z. L., Xu L., Gou X., Chen J., Yuan H., TiS2 Nanotubes as the Cathode Materials of Mg-ion Batteries, Chemical Communications (CC), 40: 2080–2081 (2004).
[17] Han X., Liu C., Sun J., Sendek A. D., Yang W., Density Functional Theory Calculations For Evaluation of Phosphorene as a Potential Anode Material for Magnesium Batteries, RSC Advances (RSCA), 8: 7196–7204 (2018).
 [18] Wang Z.,  Su Q., Shi J., Deng H., Yin G. Q., Guan J., Wu M. P., Zhou Y. L., Lou H. L., Fu Y. Q., Comparison of Tetragonal and Cubic Tin as Anode for Mg Ion Batteries, ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces) 6: 6786–6789 (2014).
[19] Pereira A. O., Miranda C. R., First-Principles Investigation of Transition Metal Dichalcogenide Nanotubes for Li and Mg Ion Battery Applications, Journal of Physical Chemistry C (JPCC), 119: 4302–4311 (2015).
[20] Vessally E., Alkorta I., Ahmadi S., Mohammadi R., Hosseinian A., A DFT Study on Nanocones, Nanotubes (4,0), Nanosheets and Fullerene C60 as Anodes in Mg-ion Batteries, RSC Advances (RSCA), 9: 853862 (2019).
[21] Wua X., Doucd Y., Lianb R., Wanga Y., Wei Y, Understanding Rechargeable Magnesium Ion Batteries Via First-principles Computations: A Comprehensive Review, Energy Storage Materials (Energy Storage Mater.), 48: 344-355 (2022).
[22] Frisch M. J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G. E., Robb M. A., Cheeseman J. R.,   Scalmani G., Barone V., Mennucci B., Petersson G.A., Nakatsuji H., Caricato M., Li X., Hratchian H. P., Izmaylov A.F., Bloino J., Zheng G., Sonnenberg J. L., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Montgomery J. A., Peralta J. J. E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J. J., Brothers E., Kudin K.N., Staroverov V.N., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K.,  Rendell A.,  Burant J.C., Iyengar S.S., Tomasi J.,  Cossi M., Rega N., Millam J.M., Klene M., Knox J.E., Cross J.B., Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R. E., Yazyev O., Austin A. J., Cammi R., Pomelli C.,  Ochterski J. W.,  Martin R. L., Morokuma K., Zakrzewski V. G., Voth G. A., Salvador P., Dannenberg J. J., Dapprich S., Daniels A. D., Farkas O., Foresman J. B., Ortiz J. V., Cioslowski J., Fox D. J.,  Gaussian 09, Gaussian, Inc., Wallingford, CT, Revision A.02 (2009).
[24] Wang J., Li W., Ma L., Carbon and Germanium Nanocages as Anode Electrodes in Sodium-ion And Potassium-ion Batteries, Journal of Molecular Modeling (JMM), 27(2): 64 (2021).
[25] Abedi M., Eslami M., Ghadiri M., Mohammadinia S., An Insight into the Electro‑Chemical Properties of Halogen (F, Cl and Br) Doped BP and BN Nanocages as Anodes in Metal‑ion Batteries, Scientific Reports (SR), 10: 19948 (2020).
[26] Bie R. J., Siddiqui M. K., Razavi R., Taherkhani M., Najaf M., Possibility of C38 and Si19Ge19 Nanocages in Anode of Metal Ion Batteries: Computational Examination, Acta Chimica Slovenica (ACS), 65: 303–311 (2018).
[27] Jankowski P., Wieczorek W., Johansson P., SEI-Forming Electrolyte Additives For Lithium-ion Batteries: Development and Benchmarking of Computational Approaches, Journal of Molecular Modeling (JMM), 23: 6–14 (2017).
[28] Bader R.F.W., "Atoms in molecules: A Quantum Theory", Oxford University Press, Oxford (1990).
[29] Poater J., Fradera X., Duran M., Sola` M., The Delocalization Index as an Electronic Aromaticity Criterion: Application to a Series of Planar Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, Chemistry A European Journal, (CEJ), 9: 400406 (2003).
[30] Aslanzadeh S. A., A Computational Study on the Potential Application of Zigzag Carbon Nanotubes in Mg-ion Batteries, Structural Chemistry, (SC), 31: 1073–1078 (2020).
[31] Zhao, C., L., Yunxiang, L., Honglai, Chen, L., First-Principles Computational Investigation of Nitrogen-Doped Carbon Nanotubes as Anode Materials For Lithium-ion and Potassium-ion Batteries, RSC Advances, (RSCA), 9: 17299–17307 (2019).