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Type: Dissertação
Title: Investigação teórica do efeito de impurezas substitucionais no bulk de silício na presença de lítio
Author: Rodrigues, Igor Peixoto
First Advisor: Sato, Fernando
Referee Member: Autreto, Pedro Alves da Silva
Referee Member: Furones, Maikel Yusat Ballester
Resumo: No contexto em que se buscar melhorar as características de desempenho, capacidade e eficiência das baterias de íons de lítio (LIBs), a substituição do ânodo de grafite apresenta-se como uma alternativa promissora. O silício (Si) demonstra resultados que indicam ser um excelente candidato para substituir o grafite como material anódico, principalmente por possuir uma capacidade específica teórica de armazenamento de carga cerca de dez vezes o valor reportado para o grafite. No entanto, o Si sofre com uma enorme expansão de volume da ordem de 300% sob tensão induzida por litiação. Essa mudança de volume indesejável causa a presença de uma interfase de eletrólito sólido (SEI) instável e cumulativa, fratura e trinca dos eletrodos, o que resulta em uma bateria de baixa capacidade e ciclabilidade. Um segundo fator limitante ao uso do Si, está associado a sua baixa condutividade eletrônica. A mudança de volume é considerado o principal fator limitante ao uso de Si como material anódico e está diretamente ligada ao surgimento de ligas de Si-Li no eletrodo. A presença de lítio (Li) nas estruturas a base de silício resulta nas quebras das ligações Si-Si e no surgimento de ligas de Si-Li que são mais fracas que o Si cristalino em termos de resistência ao escoamento, de modo que a liga amorfa Li-se é empurrada para longe da interface bifásica cristalina/amorfa, uma vez que começa a se expandir. No presente trabalho, buscamos avaliar por meio de cálculos de primeiros princípios baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT), os efeitos na rigidez, estabilidade e condução eletrônica com a introdução de impurezas substitucionais na estrutura do bulk de Si em conjunto com átomos de lítio substitucionais. A rigidez, estabilidade e condução eletrônica foram analisadas através da informação de bulk modulus, energia de coesão, estrutura de bandas e densidade de estados, respectivamente. Inicialmente, escolhemos sítios substitucionais presentes na estrutura do bulk de silício diamante e realizamos a inclusão mono-atômica de impurezas com os átomos de boro (B), carbono (C), nitrogênio (N), alumínio (Al) e fósforo (P). Em sequência propomos a inserção de pares de uma mesma impureza em configurações de primeiro e segundo vizinhos. Verificamos que a existência de pares de impurezas substitucionais, assim como sua posição dentro da estrutura alteram a rigidez e a condutividade eletrônica, sendo verificados através de cálculos de bulk modulus e densidade de estados. O resultados indicaram que a inclusão de boro, carbono e nitrogênio foram capazes de favorecer com maior intensidade o aumento do valor de bulk modulus e energia de coesão, contribuindo assim, para estabilidade e rigidez da estrutura de Si, ao contrário do alumínio e fósforo. Todas as impurezas em análise (B, C, N, Al e P) foram capazes de melhorar a condução eletrônica do silício alterando o caráter semicondutor para o caráter metálico. O segundo passo concentrou-se no estudo da combinação átomos de lítio e as impurezas a partir dos sítios substitucionais escolhidos. Baseado em análises de comprimentos de ligação, propusemos uma relação entre a estabilidade e rigidez das estruturas de acordo com o valor do comprimento de ligação entre a impureza e o lítio. As análises indicaram que a impureza com o maior valor de comprimento de ligação com o Li provoca uma maior redução do bulk modulus e da energia de coesão, sugerindo assim uma maior alteração estrutural do composto. Buscando informações que corroborassem a ideia de alteração estrutural, avaliamos através de um ajuste linear, o valor do coeficiente angular da reta dos gráficos de energia de coesão e bulk modulus associadas as estruturas do bulk de Si com as impurezas e os átomos de Li nos sítios substitucionais. Acreditamos que as estruturas com os valores para o coeficiente angular da energia de coesão e bulk modulus mais próximos de zero, sejam capazes de acomodar mais facilmente os átomos de lítio, de forma que a estrutura sofra menos problemas estruturais. Nessa perspectiva, a inclusão de nitrogênio e fósforo na estrutura de silício se mostrou favorável, uma vez que em nossos resultados, esses elementos químicos indicaram ser capazes de reduzir os danos estruturais causados pelo Li.
Abstract: In the context of the search for improving the performance, capacity, and efficiency of lithium-ion batteries (LIBs), the replacement of the graphite anode presents itself as a promising alternative. Silicon (Si) has shown results that indicate that it is an excellent candidate to replace graphite as the anodic material, mainly due to its specific theoretical charge storage capacity, which is about ten times the reported value for graphite. However, Si suffers from a significant volume expansion of about 300% under stress induced by lithiation. This undesirable volume change causes the presence of an unstable and cumulative solid electrolyte interface (SEI), breakage, and cracking of the electrodes, resulting in a battery with low capacity and cyclability. A second limiting factor for the use of Si is associated with its low electronic conductivity. The volume change is considered the main limiting factor for the use of Si as an anodic material and is directly linked to the emergence of Si-Li alloys in the electrode. The presence of lithium (Li) in silicon-based structures results in the breaking of Si-Si bonds and the emergence of Si-Li alloys that are weaker than crystalline Si in terms of yield strength, causing the amorphous Li-Si alloy to move away from the biphasic crystalline/amorphous interface as it starts to expand. In this work, we seek to evaluate, through first-principles calculations based on Density Functional Theory (DFT), the effects on rigidity, stability, and electronic conductivity with the introduction of substitutional impurities in the bulk Si structure in conjunction with substitutional lithium atoms. Rigidity, stability, and electronic conduction were analyzed through the information on bulk modulus, cohesive energy, band structure, and density of states, respectively. Initially, we chose substitutional sites present in the diamond bulk silicon structure and performed the single-atomic inclusion of impurities with boron (B), carbon (C), nitrogen (N), aluminum (Al), and phosphorus (P) atoms. Subsequently, we propose the insertion of pairs of the same impurity in first and second neighbor configurations. We verified that the existence of pairs of substitutional impurities, as well as their position within the structure, alters rigidity and electronic conductivity. This alteration was verified through calculations of bulk modulus and density of states. The results indicated that the inclusion of boron, carbon, and nitrogen was able to significantly enhance the bulk modulus and cohesive energy values, thereby increasing the stability and rigidity of the Si structure, unlike aluminum and phosphorus. All the impurities under analysis (B, C, N, Al, and P) were capable of improving the electronic conduction of silicon by altering its semiconductor character to a metallic character. The second step focused on the study of the combination of lithium atoms and impurities from the chosen substitutional sites. Based on bond length analyses, we proposed a relationship between the stability and rigidity of the structures according to the value of the bond length between the impurity and Li. The analyses indicated that the impurity with the highest value of bond length with Li causes a greater reduction of the bulk modulus and cohesive energy, suggesting a more significant structural change of the compound. Seeking information to corroborate the idea of structural change, we evaluated the value of the angular coefficient of the line of the graphs of cohesive energy and bulk modulus associated with the Si bulk structures with the impurities and the Li atoms in the substitutional sites through a linear fit. We believe that the structures with the angular coefficient values of the cohesive energy and bulk modulus closest to zero can more easily accommodate lithium atoms, resulting in fewer structural problems. From this perspective, the inclusion of nitrogen and phosphorus in the silicon structure proved to be favorable, as these chemical elements indicated, in our results, that they are capable of reducing the structural damage caused by Li.
Keywords: DFT
Silício
Impurezas
Baterias de íons de lítio
Estabilidade estrutural
Rigidez
Silicon
Impurities
Lithium-ion battery
Structural stability
Stiffness
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Física
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/16254
Issue Date: 8-Aug-2023
Appears in Collections:Mestrado em Física (Dissertações)



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