MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Trong cuộc sống hiện đại, các thiết bị điện và điện tử có vai trò hết sức quan trọng đối với cuộc sống con người. Những thiết bị như điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tính xách tay, xe đạp điện, xe máy điện... thường sử dụng dùng nguồn năng lượng dự trữ ... Yêu cầu đặt ra đối với nguồn năng lượng đó là phải nhỏ gọn, dung lượng lớn, tuổi thọ cao và an toàn. Ứng viên hàng đầu cho yêu cầu đó là ắc quy ion lithium với dung lượng lớn, kích thước nhỏ gọn, tốc độ sạc cao và không thải ra chất độc hại. Trong các bộ phận của ắc quy ion lithium, cực âm đóng vai trò quyết định đến dung lượng, tốc độ sạc và tuổi thọ của ắc quy. Để chế tạo được thế hệ ắc quy mới tốt hơn cần nghiên cứu và triển khai vật liệu cực âm có dung lượng chứa ion lithium cao. Cơ tính, sự biến dạng và ứng suất của cực âm gây ra bởi sự khuếch tán ion lithium cần được mô hình hóa và phân tích kỹ lưỡng. Do đó, việc nghiên cứu và triển khai những vật liệu mới, những cấu trúc mới của cực âm trong ắc quy ion lithium là một vấn đề mang tính thời sự và có ý nghĩa khoa học. Đây là thách thức lớn vì khi sạc và phóng điện, cực âm được làm từ một số vật liệu có biến dạng lớn sẽ gây ra ứng suất lớn kèm theo nứt, rỗng, kém tiếp xúc điện, dẫn đến dung lượng chứa ion lithium giảm nhanh sau một thời gian ngắn sử dụng. Việc xác định các thông số cơ học của vật liệu làm cực âm và các thông số của quá trình sạc, xả điện là nhiệm vụ cấp bách hiện nay. Kết quả nghiên cứu trong đề tài sẽ góp phần tạo ra một thế hệ ắc quy mới tốt hơn và được ứng dụng nhiều trong thực tiễn. Vì vậy, cần xác định những tính chất cơ học của vật liệu có tiềm năng một cách rõ ràng trước khi ứng dụng chúng để chế tạo cực âm. Với kết cấu cực âm cụ thể, việc mô phỏng quá trình sạc điện, xác định những đặc trưng cơ học và mối liên hệ của chúng với những thông số của quá trình sạc điện (dòng khuếch tán, hệ số khuếch tán...) là cần thiết để đưa ra kết cấu hợp lý. Ở kích cỡ nano mét, mô phỏng số sẽ góp phần làm giảm chi phí, thời gian thí nghiệm; tăng số lượng mẫu thử, thực hiện với nhiều dạng kết cấu và nhiều kích thước khác nhau. Chính vì những lý do đó, tên đề tài được lựa chọn là: "Nghiên cứu ứng xử cơ học vật liệu hai chiều và kết cấu silicon làm cực âm ắc quy ion lithium"
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 13 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU LÀM CỰC ÂM 15 ẮC QUY ION LITHIUM 15 1.1 Sự đời phát triển ắc quy ion lithium 15 1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động ắc quy ion lithium 15 1.2.1 Cấu tạo ắc quy ion lithium 15 1.2.2 Nguyên lý hoạt động ắc quy ion lithium 16 1.3 Vật liệu làm cực âm ắc quy ion lithium 17 1.3.1 Các bon 18 1.3.2 Kim loại, xít kim loại hợp kim 19 1.3.3 Silicon nguyên tố thuộc nhóm IV 20 1.3.4 Vật liệu hai chiều (2D) 24 1.4 Kết luận chương 24 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 26 2.1 Cấu trúc vật liệu hai chiều 26 2.2 Thế tương tác nguyên tử 28 2.2.1 Hàm Tersoff 29 2.2.2 Hàm Stillinger-Weber 30 2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử 31 2.3.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử 31 2.3.2 Xây dựng hệ phương trình phần tử hữu hạn nguyên lý toàn phần cực tiểu 32 2.4 Cơ học phá hủy 34 2.5 Đặc trưng học cực âm sạc xả điện 39 2.5.1 Biến dạng cực âm dòng khuếch tán ion lithium 39 2.5.2 Sự tương tự toán nhiệt toán khuếch tán 40 2.6 Kết luận chương 41 MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC VẬT LIỆU HAI CHIỀU 43 3.1 Các phương pháp tính hệ số cường độ ứng suất 43 3.2 Kéo màng nguyên 44 3.2.1 Sử dụng hàm Tersoff 44 3.2.2 Sử dụng hàm Stillinger-Weber 46 3.3.1 Kéo màng có vết nứt cạnh với hàm Stillinger-Weber 54 3.3.2 Trường chuyển vị với hàm Tersoff 56 3.3.3 Trường chuyển vị với hàm Stillinger-Weber 59 3.4 Kết luận chương 64 CHƯƠNG MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC KẾT CẤU HẠT CẦU, TRỤ VÀ ĐĨA MỎNG SILICON DÙNG LÀM CỰC ÂM ẮC QUY ION LITHIUM 65 4.1 Mơ hình toán 65 4.2 Thông số vật liệu 66 4.3 Chia lưới phần tử kiểm chứng mơ hình 67 4.4 Kết mô thảo luận 69 4.5 Kết luận chương 82 CHƯƠNG MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC KẾT CẤU SILICON BỌC VÀO TRỤ ĐỒNG KÍCH CỠ NANO MÉT DÙNG LÀM CỰC ÂM ẮC QUY ION LITHIUM 84 5.1 Mơ hình tốn thơng số vật liệu 84 5.1.1 Mơ hình tốn 84 5.1.2 Thông số vật liệu 85 5.2 Kết mô thảo luận trình sạc điện kết cấu Si bọc trụ Cu kích cỡ nano mét 86 5.2.1 Kết cấu khơng có góc lượn đỉnh trụ Si 86 5.2.2 Kết cấu Si bọc vào trụ Cu có lượn góc phần đỉnh trụ Si 92 5.2.3 Kết mô kết cấu Si bọc trụ Cu khơng có dòng ion lithium đỉnh trụ 98 5.3 Kết luận chương 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102 KẾT LUẬN 102 KIẾN NGHỊ 103 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 2D AC AFEM b-M Hai chiều Armchair Phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử Vật liệu hai chiều cấu trúc lục giác low-buckled, M ký hiệu nguyên tố nhóm IV nhóm V b-MX Vật liệu hai chiều cấu trúc lục giác low-bukled với M X ký hiệu hai nguyên tố khác nhau: M X ký hiệu hai nguyên tố nhóm IV; M ký hiệu nguyên tố nhóm III X ký hiệu nguyên tố nhóm V; M ký hiệu nguyên tố nhóm IV X ký hiệu nguyên tố nhóm VI CNT Ống nano bon D Hệ số khuếch tán, nm2s-1 DFT Lý thuyết phiếm hàm mật độ (density functional theory) E Mô đun đàn hồi FEM Phương pháp phần tử hữu hạn ID Chỉ số tách lớp J Dòng sạc J , J c Dòng sạc khơng thứ ngun, dòng sạc khơng thứ nguyên tới hạn KI Hệ số cường độ ứng suất KIc Hệ số cường độ ứng suất tới hạn MD Động lực học phân tử NCS Nghiên cứu sinh R/A Bán kính khơng thứ ngun S-W Stillinger-Weber Y t Z/A ZZ Mô đun đàn hồi Chiều dày màng Chiều cao không thứ nguyên Zigzag Ứng suất Ứng suất kéo đứt Ứng suất tương đương Von - Mises Ứng suất dẻo Hệ số Poisson Biến dạng Biến dạng dẻo Thời gian sạc không thứ nguyên Boron Nitride Silicon carbide Nồng độ lớn f eq y p =t/tmax BN SiC Cmax DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thơng số loại màng dùng tính tốn với hàm Tersoff 44 Bảng 3.2 Đặc trưng học màng nghiên cứu (ZZ AC hai phương ZZ AC tương ứng Hướng kéo định dấu ngoặc đơn) 45 Bảng 3.3 Thông số hình học vật liệu có cấu trúc lục giác low-buckled Thông số lấy theo tài liệu tham khảo [123] 46 Bảng 3.4 Thông số vật liệu liên kết thẳng cho hàm Stillinger-Weber 47 Bảng 3.5 Thông số hàm Stillinger-Weber cho liên kết góc vật liệu 48 Bảng 3.6 Kết kéo màng đơn lớp, với 4032 nguyên tử Sử dụng hàm S-W 53 Bảng 3.7 Giá trị tới hạn hệ số tập trung ứng suất KIc 58 Bảng 3.8 Kết tính hệ số cường độ ứng suất vật liệu có cấu trúc lục giác low-buckled Trong kích thước vết nứt cạnh a0/W0.1; trường chuyển vị a0/W1/2 62 Bảng 4.1 Thông số dùng mơ q trình sạc điện cực âm Si với kết cấu dạng hình cầu, trụ đĩa Si có bán kính A 81 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo ắc quy ion lithium 16 Hình 1.2 Cấu trúc xít kim loại CNT dùng làm cực âm: a) MnO2 phủ CNT; b) Cấu trúc chiều CuO-CNT; c) MnO2 dạng nhũ hoa CNT (nguồn: [33]) 19 Hình 1.3 a) Sự hình thành sợi nano Si phương pháp khắc bạc; b) Mặt cắt cấu trúc sợi nano Si; c) Hình ảnh sợi nano Si tạo thành từ Si (100); d) Bề mặt tiếp xúc tâm mặt sợi nano Si (nguồn: [55]) 21 Hình 1.4 a) Hạt Si chưa có ion lithium khuếch tán vào, hạt chưa có trường ứng suất; b) Khi có dòng ion lithium khuếch tán vào tạo thành trường ứng suất (nguồn: [60]) 22 Hình 1.5 Kết cấu mỏng Si phủ lên điện cực Cu: a) Kết cấu không phân rãnh; b) Kết cấu phủ toàn Si lên điện cực; c) Kết cấu phủ Si lên phần rãnh (nguồn: [63]) 22 Hình 1.6 Cấu trúc Si bọc trụ Cu kích cỡ nano mét 23 Hình 1.7 Cấu trúc Si bọc vào trụ Cu dạng kim: a) Trụ Cu; b) Si bọc lên trụ Cu; c) Hình ảnh kết cấu bên Cu, bên Si (nguồn:[67]) 23 Hình 2.1 Cấu trúc lục giác vật liệu 2D: a) Cấu trúc lục giác phẳng; b) Cấu trúc lục giác low-buckled 26 Hình 2.2 CNT màng graphene (Nguuồn:[73]) 27 Hình 2.3 Màng ống BN: a) Màng BN; b) Ống BN (Nguồn:[75]) 28 Hình 2.4 Mơ hình phần tử sử dụng hàm Stillinger-Weber: a) Liên kết thẳng; b) Liên kết góc 30 Hình 2.5 Mơ hình phần tử sử dụng hàm Tersoff: a) Phần tử nút; b) Phần tử nút 33 Hình 2.6 Mơ hình vết nứt a) Vết nứt phát triển theo dạng I, b) Vết nứt phát triển theo dạng II, c) Vết nứt phát triển theo dạng III 34 Hình 2.7 Nguyên tử đầu vết nứt nguyên tử lân cận liên kết với 35 Hình 2.8 Quan hệ ứng suất kéo đơn trụ biến dạng lên kết đầu vết nứt (nguồn [135]), a0 chiều dài vết nứt, r chiều dài liên kết d số mạng Trái) Màng có vết nứt cạnh bên chịu kéo theo phương AC; Phải) Màng có vết nứt cạnh bên chịu kéo theo phương ZZ 35 Hình 2.9 Trường chuyển vị đầu vết nứt (những nguyên tử màu xanh có chuyển vị theo cơng thức (2.19a) (2.19b) a) Vết nứt dọc theo phương zigzag; b) Vết nứt dọc theo phương armchair 38 Hình 3.1 Quan hệ ứng suất biến dạng kéo Trái) Kéo màng Silicene; Phải) Kéo màng AlN 44 Hình 3.2 Hình ảnh kéo màng AlN: a) Kéo theo phương zigzag =23.93 %; b) Kéo theo phương AC =17.73 % Biến dạng ứng suất lớn 23.89 % 17.72 % kéo theo phương zigzag armchair tương ứng 46 Hình 3.3 Quan hệ ứng suất biến dạng màng sử dụng hàm Stillinger-Weber kéo Silicene 49 Hình 3.4 Quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu nhóm III nhóm IV có cấu trúc lục giác low-buckled sử dụng hàm Stillinger-Weber kéo: a) Kéo theo phương armchair; b) Kéo theo phương zigzag 50 Hình 3.5 Quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu nhóm V có cấu trúc lục giác lowbuckled sử dụng hàm Stillinger-Weber kéo: a) Kéo theo phương armchair; b) Kéo theo phương zigzag 50 Hình 3.6 Quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu b-GeM có cấu trúc lục giác lowbuckled sử dụng hàm Stillinger-Weber kéo, M ký hiệu vật liệu nhóm VI: a) Kéo theo phương armchair; b) Kéo theo phương zigzag 50 Hình 3.7 Quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu b-SiM có cấu trúc lục giác low-buckled sử dụng hàm Stillinger-Weber kéo, M vật liệu nhóm IV nhóm VI: a) Kéo theo phương armchair; b) Kéo theo phương zigzag 51 Hình 3.8 Quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu b-SnM có cấu trúc lục giác low-buckled sử dụng hàm Stillinger-Weber kéo, M ký hiệu vật liệu nhóm IV nhóm VI: a) Kéo theo phương armchair; b) Kéo theo phương zigzag 51 Hình 3.9 Quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu b-InM có cấu trúc lục giác low-buckled sử dụng hàm Stillinger-Weber kéo, M ký hiệu vật liệu nhóm V: a) Kéo theo phương armchair; b) Kéo theo phương zigzag 51 Hình 3.10 Quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu b-CM có cấu trúc lục giác lowbuckled sử dụng hàm Stillinger-Weber kéo, M ký hiệu vật liệu nhóm VI: a) Kéo theo phương armchair; b) Kéo theo phương zigzag 52 Hình 3.11 Quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu b-XM có cấu trúc lục giác lowbuckled sử dụng hàm Stillinger-Weber kéo, X ký hiệu vật liệu nhóm III, M ký hiệu vật liệu nhóm V: a) Kéo theo phương armchair; b) Kéo theo phương zigzag 52 Hình 3.12 Màng có vết nứt: a) Màng với 13376 nguyên tử vết nứt song song phương zigzag; b) Màng có 12264 nguyên tử, vết nứt song song phương armchair 54 Hình 3.13 Kết kéo màng nguyên có vết nứt cạnh: a) Màng germanene; b) Màng bbismuthene 54 Hình 3.14 Phá hủy màng Germanene kéo màng có vết nứt cạnh: a) Vết nứt song song với phương armchair, kéo theo phương zigzag, = 0.068, ft = 2.86 N/m; b) Vết nứt song song với phương zigzag, kéo theo phương armchair, = 0.066, ft = 2.92 N/m 55 Hình 3.15 Phá hủy màng bismuthene kéo màng có vết nứt: a) Màng b-bismuthene 12264 nguyên tử, vết nứt song song với phương armchair, kéo theo phương zigzag, ft = 1.80 N/m, = 0.073; b) Màng b-bismuthene 13376 nguyên tử, vết nứt song song với phương zigzag, kéo theo phương armchair, ft=2.07 N/m, = 0.078 55 Hình 3.16 Quan hệ hệ số cường độ ứng suất biến dạng liên kết đầu vết nứt: a) Màng silicene; b) Màng AlN 56 Hình 3.17 Quan hệ hệ số cường độ ứng suất biến dạng liên kết đầu vết nứt: a) Màng SiC; b) Màng BN 56 Hình 3.18 Quan hệ hệ số cường độ ứng suất biến dạng liên kết đầu vết nứt màng graphene 57 Hình 3.19 Hình ảnh đầu vết nứt kéo màng AlN vết nứt dọc theo phương zigzag: a) Biến dạng đầu vết nứt b=18.2 %, KIc=1.20 MPa m ; b)b=116.5 %, KIc=1.209 MPa m c) b=250 %, KIc=1.21 MPa m Liên kết đầu vết nứt màu đỏ, liên kết bị đứt đường đứt 57 Hình 3.20 Hình ảnh đầu vết nứt kéo màng AlN, vết nứt dọc theo phương armchair: a) Biến dạng đầu vết nứt b=58.3 %, KIc=1.5085 MPa m ; b)b=104 %, KIc=1.5321 MPa m c) b=256 %, KIc=1.533 MPa m 57 Hình 3.21 Quan hệ cường độ ứng suất biến dạng liên kết đầu vết nứt màng silicene 59 Hình 3.22 Quan hệ hệ số cường độ cường độ ứng suất biến dạng liên kết đầu vết nứt vật liệu nhóm III IV có cấu trúc lục giác low-buckled: a) Vết nứt song song phương armchair; b) Vết nứt song song phương zigzag 60 Hình 3.23 Quan hệ hệ số cường độ ứng suất biến dạng liên kết đầu vết nứt vật liệu nhóm V có cấu trúc lục giác low-buckled: a) Vết nứt song song phương armchair; b) Vết nứt song song phương zigzag 60 Hình 3.24 Quan hệ hệ số cường độ ứng suất biến dạng liên kết đầu vết nứt vật liệu b-GeM có cấu trúc lục giác low-buckled, M ký hiệu nguyên tố nhóm VI: a) Vết nứt song song phương armchair; b) Vết nứt song song phương zigzag 60 Hình 3.25 Quan hệ hệ số cường độ ứng suất biến dạng liên kết đầu vết nứt vật liệu b-SiM có cấu trúc lục giác low-buckled, M ký hiệu nguyên tố nhóm IV VI: a) Vết nứt song song phương armchair; b) Vết nứt song song phương zigzag 61 Hình 3.26 Quan hệ hệ số cường độ ứng suất biến dạng liên kết đầu vết nứt vật liệu b-SnM có cấu trúc lục giác low-buckled, M ký hiệu nguyên tố nhóm IV VI: a) Vết nứt song song phương armchair; b) Vết nứt song song phương zigzag 61 Hình 3.27 Quan hệ hệ số cường độ ứng suất biến dạng liên kết đầu vết nứt vật liệu b-InM có cấu trúc lục giác low-buckled, M ký hiệu nguyên tố nhóm V: a) Vết nứt song song phương armchair; b) Vết nứt song song phương zigzag 61 Hình 3.28 Quan hệ hệ số cường độ ứng suất biến dạng liên kết đầu vết nứt vật liệu b-CM có cấu trúc lục giác low-buckled, M ký hiệu nguyên tố nhóm VI: a) Vết nứt song song phương armchair; b) Vết nứt song song phương zigzag 62 Hình 3.29 Quan hệ hệ số cường độ ứng suất biến dạng liên kết đầu vết nứt vật liệu b-XM có cấu trúc lục giác low-buckled, X ký hiệu vật liệu nhóm III, M ký hiệu vật liệu nhóm V: a) Vết nứt song song phương AC; b) Vết nứt song song phương zigzag 62 Hình 4.1 Mơ hình tốn: a) Hình cầu Si; b) Trụ dài Si; c) Hình chiếu cầu hay trụ Si thời điểm ban đầu; d) Hình chiếu cầu trụ Si thời điểm sạc t; e) Hình chiếu phần tư kết cấu hạt cầu trụ Si dùng mô phỏng; f) Đĩa Si hình chiếu đứng đĩa Si thời điểm ban đầu; g) Hình chiếu đứng đĩa thời điểm sạc; h) Hình chiếu đứng 1/4 đĩa dùng mơ 65 Hình 4.2 Các dạng kết cấu điều kiện biên khác đĩa Si: a) Đĩa với dòng ion lithium khuếch tán bề mặt; b) Đĩa với dòng ion lithium khuếch tán bề mặt mặt bên; c) Kết cấu đĩa có lượn góc với dòng ion lithium toàn mặt đĩa 66 Hình 4.3 Chia lưới phần tử mô phỏng: a) Phần tử nút với trụ hạt Si; b) Phần tử nút với đĩa Si 67 Hình 4.4 Kiểm chứng tính hội tụ việc chia lưới phần tử mô hạt cầu đĩa Si với thông số mô J JA Cmax D 0.133 : a) Nồng độ không thứ nguyên C/Cmax phụ thuộc bán kính hạt cầu Si; b) Ứng suất Von Mises hạt cầu Si; c) Biến dạng dẻo tương đương hạt cầu Si; d) Nồng độ không thứ nguyên C/Cmax phụ thuộc chiều cao Z/H đĩa; e) Ứng suất Von Mises phụ thuộc chiều cao Z/H đĩa; f) Biến dạng dẻo tương đương đĩa Si 68 Hình 4.5 Phân bố nồng độ ion lithium đĩa với kết cấu điều kiện biên khác nhau: a) Kết cấu đĩa hình 4.2a; b) Kết cấu đĩa hình 4.2b; c) Kết cấu đĩa hình 4.2c 69 Hình 4.7 Kết mơ kết cấu trụ Si với dòng sạc khơng thứ ngun J JA / Cmax D 0.1 thời điểm sạc khác nhau: a) Phân bố nồng độ ion lithium; b) Ứng suất hướng kính trụ; c) Ứng suất vòng; d) Ứng suất dọc trục; e) Ứng suất tương đương Von Mises; f) Biến dạng dẻo tương đương 71 Hình 4.8 Kết mô kết cấu đĩa Si với dòng sạc J JA / Cmax D / thời điểm sạc khác nhau: a) Phân bố nồng độ ion lithium; b) Ứng suất hướng kính đĩa; c) Ứng suất tương đương Von Mises; d) Biến dạng dẻo tương đương 72 Hình 4.9 Ảnh hưởng dòng sạc đến q trình sạc điện kết cấu hạt cầu: a) Phân bố nhiệt độ; b) Phân bố ứng suất tương đương Von Mises; c) Phân bố biến dạng dẻo tương đương 73 Hình 4.10 Ảnh hưởng dòng sạc đến kết cấu q trình sạc điện kết cấu trụ: a) Phân bố nhiệt độ; b) Phân bố ứng suất tương đương Von Mises; c) Phân bố biến dạng dẻo tương đương 74 Hình 4.11 Ảnh hưởng dòng sạc đến kết cấu trình sạc điện kết cấu đĩa: a) Phân bố nhiệt độ; b) Phân bố ứng suất tương đương Von Mises; c) Phân bố biến dạng dẻo tương đương 75 Hình 4.12 Ảnh hưởng thời gian sạc: a) Nồng độ ion lithium bề mặt trụ cầu, điểm A đĩa H=0.05A; b) Ứng suất Von Mises bề mặt cầu trụ điểm A đĩa H=0.05R; c) Biến dạng dẻo bề mặt cầu trụ điểm A kết cấu đĩa H=0.05; 0.1 0.2R Kết mô với J / 76 Hình 4.13 Các giá trị phụ thuộc vào vị trí kết cấu hạt cầu, trụ đĩa Si: a) Phân bố nồng độ ion lithium; b) Phân bố ứng suất tương đương Von Mises, c) Phân bố biến dạng dẻo hạt cầu trụ, d) Phân bố biến dạng dẻo kết cấu đĩa Dòng sạc J JA / Cmax D / 77 Hình 4.14 Quan hệ biến dạng dẻo dòng sạc: a) Biến dạng dẻo lớn nhất, b) Biến dạng dẻo lớn khoảng đến 0.001 77 Hình 4.15 Phương trình đường tới hạn dòng sạc kết cấu đĩa 78 Hình 4.16 Hiệu suất sạc phụ thuộc vào dòng sạc khơng thứ nguyên 78 Hình 4.17 Hạt Si thời điểm dừng sạc: a) Phân bố nồng độ ion lithium; b) Phân bố ứng suất Von Mises; c) Phân bố biến dạng dẻo Thông số mô phỏng: bán kính cầu A=200 nm, hệ số khuếch tán D=100 nm2s-1, J JA / Cmax D 0.04 , t/tstop=1 79 Hình 4.18 Hình ảnh chụp q trình mơ sạc điện hạt Si thời điểm dừng sạc: a) Phân bố nồng độ ion lithium; b) Phân bố ứng suất Von Mises; c) Phân bố biến dạng dẻo, d) Thành phần ứng suất hướng kính; e) Thành phần ứng suất vòng; f) Thành phần ứng suất trượt Thơng số mơ phỏng, bán kính cầu A=200 nm, hệ số khuếch tán D=100 nm2s-1, J JA / Cmax D 0.1 , t/tstop=1 79 Hình 4.19 Đĩa Si thời điểm dừng sạc: a) Phân bố nồng độ ion lithium; b) Phân bố ứng suất Von Mises; c) Phân bố biến dạng dẻo; d) Thành phần ứng suất hướng kính; e) Thành phần ứng suất vòng; f) Thành phần ứng suất dọc trục; g) Thành phần ứng suất trượt Thông số mô phỏng, bán kính đĩa A=200 nm, H=0.1A hệ số khuếch tán 10 D=100 nm2s-1, J JA / Cmax D 0.296 , t/tstop=1 80 Hình 4.20 Trụ Si thời điểm dừng sạc: a) Phân bố nồng độ ion lithium; b) Phân bố ứng suất Von Mises; c) Phân bố biến dạng dẻo; d) Thành phần ứng suất hướng kính; e) Thành phần ứng suất vòng; f) Thành phần ứng suất dọc trục; g) Thành phần ứng suất trượt Thông số mơ phỏng: bán kính trụ A=200 nm, hệ số khuếch tán D=100 nm2s1 , J JA / Cmax D 0.1 , t/tstop=1 80 Hình 4.21 Đĩa Si thời điểm dừng sạc: a) Phân bố nồng độ ion lithium; b) Phân bố ứng suất Von Mises; c) Phân bố biến dạng dẻo; d) Thành phần ứng suất dọc trục; e) Thành phần ứng suất hướng kính; f) Thành phần ứng suất vòng; g) Thành phần ứng suất trượt Thơng số mơ phỏng: bán kính đĩa A=200 nm, H=0.1A hệ số khuếch tán D=100 nm2s-1, J JA / Cmax D 1.333, t/tstop=1 81 Hình 4.22 Quan hệ dòng sạc khơng thứ ngun với bán kính mật độ dòng điện 82 Hình 5.1 Kết cấu Si bọc vào trụ nano Cu 84 Hình 5.2 Mơ hình dùng mơ kết cấu Si bọc trụ Cu với ion lithium toàn bề mặt Si 85 Hình 5.3 Mơ hình dùng mơ kết cấu Si bọc trụ Cu với dòng ion lithium mặt bên phần chân đế, đỉnh trụ khơng có dòng ion lithium 85 Hình 5.4 Mơ hình dùng mơ kết cấu Si bọc trụ Cu với ion lithium toàn bề mặt Si, có xét đến ảnh hưởng góc lượn Si 85 Hình 5.5 Nồng độ ion lithium kết cấu: a) Tại thời điểm sạc =0,01; b) Tại thời điểm sạc =0,05; c) Tại thời điểm sạc =0,1; d) Tại thời điểm sạc =0,108 86 Hình 5.6 Ứng suất Von Mises kết cấu: a) Tại thời điểm sạc =0,01; b) Tại thời điểm sạc =0,05; c) Tại thời điểm sạc =0,1; d) Tại thời điểm sạc =0,108 87 Hình 5.7 Biến dạng dẻo kết cấu: a) Tại thời điểm sạc =0,01; b) Tại thời điểm sạc =0,05; c) Tại thời điểm sạc =0,1; d) Tại thời điểm sạc =0,108 87 Hình 5.8 Nồng độ ion lithium phân bố mặt cắt A-A (hình 5.2, 5.3 5.4) 88 Hình 5.9 Phân bố ứng suất Von Mises mặt cắt A-A (hình 5.2, 5.3 5.4) 88 Hình 5.10 Phân bố biến dạng dẻo mặt cắt A-A (hình 5.2, 5.3 5.4) 89 Hình 5.11 Nồng độ ion lithium lớn kết cấu ứng với trường hợp khác D 89 Hình 5.12 Ứng suất Von Mises lớn kết cấu ứng với giá trị khác D 90 Hình 5.13 Biến dạng dẻo lớn kết cấu với giá trị khác D 90 Hình 5.14 Biến dạng lớn theo phương dọc trục (X) với giá trị khác D 90 Hình 5.15 Biến dạng lớn theo phương bán kính (Y) với giá trị khác D 91 Hình 5.16 Phân bố nồng độ ion lithium mặt cắt A-A (hình 5.2, 5.3 5.4) thời điểm sạc t/tmax=0.1 ứng với giá trị khác D 91 Hình 5.17 Phân bố ứng suất Von Mises mặt cắt A-A (hình 5.2, 5.3 5.4) thời điểm sạc t/tmax=0.1 ứng với giá trị khác D 91 Hình 5.18 Phân bố biến dạng dẻo mặt cắt A-A (hình 5.2, 5.3 5.4) thời điểm sạc t/tmax=0.1 ứng với giá trị khác D 92 Hình 5.19 a) Nồng độ không thứ nguyên ion lithium; b) Ứng suất Von Mises kết cấu; 11 c) Biến dạng dẻo tương đương; d) Chuyển vị theo phương X; e) Chuyển vị theo phương Y 93 Hình 5.20 Các giá trị lớn kết cấu phụ thuộc vào thời gian sạc với giá trị khác dòng khuếch tán: a) Nồng độ khơng thứ nguyên 𝐶 lớn nhất; b) Ứng suất Von Mises lớn nhất; c) Biến dạng dẻo lớn nhất; d) Chuyển vị lớn theo phương X; d) Chuyển vị lớn theo phương Y Trong đó, t thời gian sạc, tmax thời gian sạc theo lý thuyết để toàn lớp Si chứa đầy ion lithium 94 Hình 5.21 Các đặc trưng học mặt cắt A-A (hình 5.2, 5.3 5.4): a) Phân bố biến dạng theo phương Y; b) Phân bố nồng độ ion lithium; c) Phân bố ứng suất Von Mises; d) Phân bố biến dạng dẻo tương đương y khoảng cách từ Si đến mặt trụ Cu, h chiều dày lớp Si 95 Hình 5.22 Chỉ số tách lớp (ID) kết cấu với thông số D=100 nm2s-1, Gc=20 Jm-2, J=1 nm-2s-1 thời gian sạc khác nhau: a) Khi t/tmax=0.001; b) Khi t/tmax=0.1; c) Khi t/tmax=0.2; d) Khi t/tmax=0.3 96 Hình 5.23 Tách lớp hai vật liệu với thông số D=100 nm2s-1, Gc=15 Jm-2, J=1 nm-2s-1 thời gian sạc khác nhau: a) Khi t/tmax=0.1; b) Khi t/tmax=0.173; c) Khi t/tmax=0.2; d) Khi t/tmax=0.3 96 Hình 5.24 Đồ thị ảnh hưởng số tách lớp lớn kết cấu phụ thuộc thời gian sạc ứng với trường hợp khác dòng khuếch tán ion lithium 97 Hình 5.25 Đồ thị ảnh hưởng số tách lớp lớn kết cấu phụ thuộc thời gian sạc ứng với trường hợp khác hệ số khuếch tán 97 Hình 5.26 Đồ thị thể tách lớp Si Cu ứng với giá trị khác Gc 97 Hình 5.27 Phân bố nồng độ 𝐶 kết cấu với thời gian sạc khác (t: thời gian sạc, tmax: thời gian sạc theo lý thuyết để toàn lớp Si chứa đầy ion lithium): a) t/tmax=0.01; b) t/tmax=0.1; c) t/tmax=0.2; d) t/tmax=0.3 Với D=100 nm2s-1, Gc=20 Jm-2, J= nm-2s1 98 Hình 5.28 Phân bố ứng suất Von Mises toàn kết cấu với thời gian sạc khác nhau: a) t/tmax=0.01; b) t/tmax=0.1; c) t/tmax=0.2; d) t/tmax=0.3 Với D=100 nm2s-1, Gc=20 Jm-2, J=1 nm-2s-1 99 Hình 5.29 Phân bố biến dạng dẻo kết cấu thời gian sạc khác nhau: a) t/tmax=0.01; b) t/tmax = 0.1; c) t/tmax = 0.2; d) t/tmax = 0.3 Với D=100 nm2s-1, Gc=20 Jm2 , J= nm-2s-1 99 Hình 5.30 Ứng suất lớn kết cấu phụ thuộc thời gian sạc 100 Hình 5.31 Biến dạng dẻo lớn phụ thuộc thời gian sạc 100 12 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Luận án với bố cục gồm chương, chương luận án trình bày kết nghiên cứu tính phá hủy số vật liệu hai chiều, mơ q trình sạc điện cực âm Si vơ định hình Luận án đạt kết sau: 1) Luận án trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động ắc quy ion lithium Phân tích nghiên cứu nhiều nhà khoa học giới ắc quy loại Từ đó, xác định đối tượng nghiên cứu luận án là: vật liệu có tiềm dùng làm cực âm ắc quy, bao gồm vật liệu cấu trúc lục giác phẳng cấu trúc lục giác lowbuckled; trình học xảy số kết cấu cực âm làm từ vật liệu Si vô định hình 2) Những sở khoa học luận án trình bày chương Phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử sử dụng để xác định tính vật liệu cấu trúc hai chiều có tiềm dùng làm cực âm ắc quy; phương pháp mô số áp dụng để mơ q trình sạc điện ắc quy ion lithium với cực âm làm từ Si vơ định hình 3) Sử dụng hàm Tersoff phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử xác định thông số học loại vật liệu: graphene, BN, SiC, AlN silicene Đặc biệt, xác định hệ số cường độ ứng suất màng làm từ loại vật liệu 4) Sử dụng hàm Stillinger-Weber phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử, thông số học 31 vật liệu có cấu trúc lục giác low-buckled giống silicene xác định Kết nghiên cứu so sánh với kết nghiên cứu tác giả khác so sánh với kết thí nghiệm Hệ số cường độ ứng suất 31 vật liệu xác định thông qua hai phương pháp: phương pháp trường chuyển vị đầu vết nứt phương pháp xác định hệ số cường độ ứng suất thơng qua kéo màng có vết nứt cạnh Kết xác định hệ số cường độ ứng suất hai phương pháp cho sai số nhỏ, kết đáng tin cậy 5) Quá trình sạc điện cực âm ắc quy ion lithium làm từ Si bọc vào trụ Cu kích cỡ nano mét mơ với nhiều điều kiện, nhiều thông số khác Kết mô mối quan hệ thông số học với thông số sạc điện như: quan hệ ứng suất, biến dạng, biến dạng dẻo, phân bố nồng độ ion lithium, trình tách lớp với dòng sạc, thời gian sạc hệ số khuếch tán ion lithium vào cực âm Những kết nhận xét, đánh giá lưu ý thiết kế chế tạo ắc quy ion lithum với cực âm làm từ Si bọc vào trụ Cu kích cỡ nano mét 6) Quá trình sạc điện vào cực âm Si với kết cấu hạt cầu, trụ dài đĩa mỏng Si mô với nhiều tốc độ sạc khác Với điều kiện sạc, kết cấu đĩa mỏng Si có hiệu suất sạc cao nhất, ứng suất biến dạng dẻo nhỏ Đặc biệt, kết nghiên cứu xác định dòng sạc không thứ nguyên tới hạn J C kết cấu hạt cầu kết cấu đĩa Si Với dòng sạc nhỏ dòng sạc tới hạn, kết cấu hạt cầu đĩa Si làm việc miền đàn hồi Quan hệ dòng sạc khơng thứ ngun J mật độ dòng điện chiều xác định 102 KIẾN NGHỊ Dựa kết nghiên cứu luận án, đề xuất hướng nghiên cứu như: - Xác định tính vật liệu có cấu trúc khác cấu trúc silicene, vật liệu có tiềm dùng làm cực âm ắc quy - Mơ q trình sạc điện với dòng sạc hệ số khuếch tán ion lithium hàm số phụ thuộc thời gian dung lượng ắc quy - Mơ q trình sạc xả điện với nhiều chu kỳ khác - Thiết kế, đề xuất cấu trúc cực âm làm từ Si tạo hệ ắc quy sớm đưa ắc quy có cực âm làm Si vào thị trường 103 Tài liệu tham khảo [1] Whittingham, M (1976) Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry Vol 192 1126-7 [2] Fletcher, S (2011) Bottled lightning: superbatteries, electric cars, and the new lithium economy Hill and Wang [3] Kirchhoff and Bunsen (1861) XXIV.—On chemical analysis by spectrumobservations Quarterly Journal of the Chemical Society of London, 13 (3): pp 270-289 [4] DOUBLET, M.-L (2009) Batteries Li-ion-Conception théorique [5] Glaize, C and S Genies (2013) Lithium batteries and other electrochemical storage systems Wiley Online Library [6] Whittingham, M.S (2004) Lithium batteries and cathode materials Chemical reviews, 104 (10): pp 4271-4302 [7] Ellis, B.L., K.T Lee, and L.F Nazar (2010) Positive electrode materials for Li-ion and Li-batteries Chemistry of materials, 22 (3): pp 691-714 [8] Zhang, X., E Sahraei, and K Wang (2016) Li-ion battery separators, mechanical integrity and failure mechanisms leading to soft and hard internal shorts Scientific reports, 6: pp 32578 [9] Noel, M and V Suryanarayanan (2002) Role of carbon host lattices in Li-ion intercalation/de-intercalation processes Journal of power sources, 111 (2): pp 193-209 [10] Dahn, J.R., et al (1995) Mechanisms for lithium insertion in carbonaceous materials Science, 270 (5236): pp 590-593 [11] Mahmood, N., T Tang, and Y Hou (2016) Nanostructured anode materials for lithium ion batteries: progress, challenge and perspective Advanced Energy Materials, (17): pp 1600374 [12] Li, X., et al (2016) Electrospun Carbon-based Nanostructured Electrodes for Advanced Energy Storage-A Review Vol [13] Balogun, M.-S., et al (2016) A review of the development of full cell lithiumion batteries: The impact of nanostructured anode materials Nano Research, (10): pp 2823-2851 [14] Reddy, M.V., G.V Subba Rao, and B.V.R Chowdari (2013) Metal Oxides and Oxysalts as Anode Materials for Li Ion Batteries Chemical Reviews, 113 (7): pp 5364-5457 [15] Park, C.-M., et al (2010) Li-alloy based anode materials for Li secondary batteries Chemical Society Reviews, 39 (8): pp 3115-3141 [16] Li, X., et al (2016) Electrospun carbon-based nanostructured electrodes for 104 advanced energy storage–a review Energy Storage Materials, 5: pp 58-92 [17] Obrovac, M., et al (2007) Alloy design for lithium-ion battery anodes Journal of The Electrochemical Society, 154 (9): pp A849-A855 [18] Obrovac, M and L Christensen (2004) Structural changes in silicon anodes during lithium insertion/extraction Electrochemical and Solid-State Letters, (5): pp A93-A96 [19] Nitta, N., et al (2015) Li-ion battery materials: present and future Materials today, 18 (5): pp 252-264 [20] Yoo, E., et al (2008) Large reversible Li storage of graphene nanosheet families for use in rechargeable lithium ion batteries Nano letters, (8): pp 2277-2282 [21] Maurin, G., et al (1999) Electrochemical intercalation of lithium into multiwall carbon nanotubes Chemical physics letters, 312(1): pp 14-18 [22] Beguin, F., et al (2000) Lithium insertion in carbon nanotubes Molecular Crystals and Liquid Crystals Science and Technology Section A Molecular Crystals and Liquid Crystals, 340 (1): pp 547-552 [23] Lahiri, I and W Choi (2013) Carbon nanostructures in lithium ion batteries: past, present, and future Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 38 (2): pp 128-166 [24] Zhang, Y., et al (2006) Composite anode material of silicon/graphite/carbon nanotubes for Li-ion batteries Electrochimica Acta, 51 (23): pp 4994-5000 [25] Eom, J., et al (2006) Electrochemical insertion of lithium into multiwalled carbon nanotube/silicon composites produced by ballmilling Journal of The Electrochemical Society, 153 (9): pp A1678-A1684 [26] Rong, J., et al (2010) Tandem structure of porous silicon film on singlewalled carbon nanotube macrofilms for lithium-ion battery applications ACS nano, (8): pp 4683-4690 [27] Fu, Y., et al (2009) Preparation and characterization of SnO2/carbon nanotube composite for lithium ion battery applications Materials Letters, 63 (22): pp 1946-1948 [28] Zhang, H.X., et al (2009) Cross‐Stacked Carbon Nanotube Sheets Uniformly Loaded with SnO2 Nanoparticles: A Novel Binder‐Free and High‐Capacity Anode Material for Lithium‐Ion Batteries Advanced Materials, 21(22): pp 2299-2304 [29] Li, H., P Balaya, and J Maier (2004) Li-storage via heterogeneous reaction in selected binary metal fluorides and oxides Journal of the Electrochemical Society, 151 (11): pp A1878-A1885 [30] Xia, H., M Lai, and L Lu (2010) Nanoflaky MnO 2/carbon nanotube 105 nanocomposites as anode materials for lithium-ion batteries Journal of Materials Chemistry, 20 (33): pp 6896-6902 [31] Zheng, S.-F., et al (2008) Introducing dual functional CNT networks into CuO nanomicrospheres toward superior electrode materials for lithium-ion batteries Chemistry of Materials, 20 (11): pp 3617-3622 [32] Venkatachalam, S., et al (2009) In-situ formation of sandwiched structures of nanotube/Cu x O y/Cu composites for lithium battery applications ACS nano, (8): pp 2177-2184 [33] Gao, Q., et al (2010) Synthesis, characterization and lithium-storage performance of MoO 2/carbon hybrid nanowires Journal of Materials Chemistry, 20 (14): pp 2807-2812 [34] Masarapu, C., et al (2009) Long‐Cycle Electrochemical Behavior of Multiwall Carbon Nanotubes Synthesized on Stainless Steel in Li Ion Batteries Advanced Functional Materials, 19 (7): pp 1008-1014 [35] Bhardwaj, T., et al (2010) Enhanced electrochemical lithium storage by graphene nanoribbons Journal of the American Chemical Society, 132 (36): pp 12556-12558 [36] Honda, K., et al (2004) Electrochemical characterization of carbon nanotube/nanohoneycomb diamond composite electrodes for a hybrid anode of Li-ion battery and super capacitor Journal of the Electrochemical Society, 151 (4): pp A532-A541 [37] Luo, F., et al (2015) Nano-silicon/carbon composite anode materials towards practical application for next generation Li-ion batteries Journal of The Electrochemical Society, 162 (14): pp A2509-A2528 [38] Bridel, J.-S., et al (2009) Key parameters governing the reversibility of Si/carbon/CMC electrodes for Li-ion batteries Chemistry of materials, 22 (3): pp 1229-1241 [39] Hu, Y and X Sun (2014) Flexible rechargeable lithium ion batteries: advances and challenges in materials and process technologies Journal of Materials Chemistry A, (28): pp 10712-10738 [40] Wagner, M.R., et al (2004) Electrolyte decomposition reactions on tin-and graphite-based anodes are different Electrochemical and solid-state letters, 7(7): pp A201-A205 [41] Kepler, K.D., J.T Vaughey, and M.M Thackeray (1999) Copper–tin anodes for rechargeable lithium batteries: an example of the matrix effect in an intermetallic system Journal of Power Sources, 81: pp 383-387 [42] Wilson, A and J Dahn (1995) Lithium insertion in carbons containing nanodispersed silicon Journal of The Electrochemical Society, 142 (2): pp 326-332 106 [43] Wu, Y.-P., E Rahm, and R Holze (2003) Carbon anode materials for lithium ion batteries Journal of Power Sources, 114 (2): pp 228-236 [44] Liu, H., D Wexler, and G Wang (2009) One-pot facile synthesis of iron oxide nanowires as high capacity anode materials for lithium ion batteries Journal of Alloys and Compounds, 487 (2): pp L24-L27 [45] Tamura, N., et al (2003) Advanced structures in electrodeposited tin base negative electrodes for lithium secondary batteries Journal of The Electrochemical Society, 150 (6): pp A679-A683 [46] Tamura, N., et al (2004) Mechanical stability of Sn–Co alloy anodes for lithium secondary batteries Electrochimica Acta, 49 (12): pp 1949-1956 [47] Yin, J., et al (2003) New Ag-Sn alloy anode materials for lithium-ion batteries Journal of the Electrochemical Society, 150 (8): pp A1129-A1135 [48] Mao, O and J Dahn (1999) Mechanically Alloyed Sn‐Fe (‐C) Powders as Anode Materials for Li‐Ion Batteries: III Sn2Fe: SnFe3 C Active/Inactive Composites Journal of The Electrochemical Society, 146 (2): pp 423-427 [49] Liu, R., et al (2016) Synthesis of SnO2/Sn hybrid hollow spheres as high performance anode materials for lithium ion battery Journal of Alloys and Compounds, 688: pp 908-913 [50] Tian, Q., et al (2014) Synthesis of SnO 2/Sn@ carbon nanospheres dispersed in the interspaces of a three-dimensional SnO 2/Sn@ carbon nanowires network, and their application as an anode material for lithium-ion batteries Journal of Materials Chemistry A, (32): pp 12881-12887 [51] Fan, X.-Y., et al (2009) Sn–Co alloy anode using porous Cu as current collector for lithium ion battery Journal of Alloys and Compounds, 476 (2): pp 70-73 [52] Chou, C.-Y., H Kim, and G.S Hwang (2011) A comparative first-principles study of the structure, energetics, and properties of Li–M (M= Si, Ge, Sn) Alloys The Journal of Physical Chemistry C, 115 (40): pp 20018-20026 [53] Beaulieu, L., et al (2003) Reaction of Li with alloy thin films studied by in situ AFM Journal of The Electrochemical Society, 150 (11): pp A1457A1464 [54] Pedersen, A., P.A Khomyakov, and M Luisier (2015) Three-Phase Model for the Reversible Lithiation-Delithiation of SnO Anodes in Li-Ion Batteries Physical Review Applied, (3): pp 034005 [55] Peng, K., et al (2008) Silicon nanowires for rechargeable lithium-ion battery anodes Applied Physics Letters, 93 (3): pp 033105 [56] Ge, M., et al (2012) Porous doped silicon nanowires for lithium ion battery anode with long cycle life Nano letters, 12 (5): pp 2318-2323 107 [57] Yao, Y., et al (2011) Interconnected silicon hollow nanospheres for lithiumion battery anodes with long cycle life Nano letters, 11 (7): pp 2949-2954 [58] Wang, W., et al (2017) Silicon and carbon nanocomposite spheres with enhanced electrochemical performance for full cell lithium ion batteries Scientific reports, 7: pp 44838 [59] Bai, Y., et al (2016) Core-shell Si@ TiO2 nanosphere anode by atomic layer deposition for Li-ion batteries Journal of Power Sources, 308: pp 75-82 [60] Zhao, K., et al (2011) Large plastic deformation in high‐capacity lithium‐ion batteries caused by charge and discharge Journal of the American Ceramic Society, 94: pp s226-s235 [61] Golmon, S., et al (2010) Stress generation in silicon particles during lithium insertion Applied Physics Letters, 97 (3): pp 033111 [62] Wen, Z and F Tian (2013) Cu-doped silicon film as anode for lithium ion batteries prepared by ion-beam sputtering Int J Electrochem Sci, (10129): pp e10137 [63] Cho, G.-b., et al (2017) Facile fabrication of patterned Si film electrodes containing trench-structured Cu current collectors for thin-film batteries Electrochimica Acta, 224: pp 649-659 [64] Chew, H.B., et al (2014) Cracking mechanisms in lithiated silicon thin film electrodes International Journal of Solids and Structures, 51 (24): pp 41764187 [65] Takeda, K and K Shiraishi (1994) Theoretical possibility of stage corrugation in Si and Ge analogs of graphite Physical Review B, 50 (20): pp 14916 [66] Kim, G., et al (2014) 3D amorphous silicon on nanopillar copper electrodes as anodes for high-rate lithium-ion batteries ACS nano, (2): pp 1907-1912 [67] Wang, N., et al (2016) Highly Conductive Cu Nanoneedle-Array Supported Silicon Film for High-Performance Lithium Ion Battery Anodes Journal of The Electrochemical Society, 163 (3): pp A380-A384 [68] Chowdhury, C., S Karmakar, and A Datta (2016) Capping black phosphorene by h-BN enhances performances in anodes for Li and Na ion batteries ACS Energy Letters, (1): pp 253-259 [69] Tritsaris, G.A., et al (2013) Adsorption and diffusion of lithium on layered silicon for Li-ion storage Nano letters, 13 (5): pp 2258-2263 [70] Sharma, D.K., et al (2018) Mono and bi-layer germanene as prospective anode material for Li-ion batteries: A first-principles study Computational Condensed Matter, 16: pp e00314 [71] Zhang, C., et al (2016) Phosphorene as an Anode Material for High 108 Performance Lithium-Ion Battery: First Principle Study and Experimental Measurement arXiv preprint arXiv:1607.00317 [72] Le, M.-Q (2018) Reactive molecular dynamics simulations of the mechanical properties of various phosphorene allotropes Nanotechnology, 29 (19): pp 195701 [73] Geim, A.K and K.S Novoselov (2007) The rise of graphene Nature materials, (3): pp 183 [74] Geim, A.K (2009) Graphene: status and prospects science, 324 (5934): pp 1530-1534 [75] Pakdel, A., et al (2012) Low-dimensional boron nitride nanomaterials Materials Today, 15 (6): pp 256-265 [76] Yang, L., et al (2014) Chloride molecular doping technique on 2D materials: WS2 and MoS2 Nano letters, 14 (11): pp 6275-6280 [77] Lin, Z., et al (2016) 2D materials advances: from large scale synthesis and controlled heterostructures to improved characterization techniques, defects and applications 2D Materials, 3(4): pp 042001 [78] Kara, A., et al (2012) A review on silicene—new candidate for electronics Surface science reports, 67 (1): pp 1-18 [79] Cahangirov, S., et al (2009) Two-and one-dimensional honeycomb structures of silicon and germanium Physical review letters, 102 (23): pp 236804 [80] Sorkin, V.,et al.(2017) Recent advances in the study of phosphorene and its nanostructures Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 42 (1): pp 1-82 [81] Novoselov, K., et al (2005) Two-dimensional atomic crystals Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 102(30): pp 10451-10453 [82] Liu, H., Y Liu, and D Zhu (2011) Chemical doping of graphene Journal of materials chemistry, 21 (10): pp 3335-3345 [83] Zanella, I., et al (2008) Chemical doping-induced gap opening and spin polarization in graphene Physical Review B, 77 (7): pp 073404 [84] Han, M.Y., et al (2007) Energy band-gap engineering of graphene nanoribbons Physical review letters, 98 (20): pp 206805 [85] Son, Y.-W., M.L Cohen, and S.G Louie (2006) Energy gaps in graphene nanoribbons Physical review letters, 97 (21): pp 216803 [86] Li, L.H and Y Chen (2016) Atomically thin boron nitride: unique properties and applications Advanced Functional Materials, 26 (16): pp 2594-2608 [87] Park, J.-H., et al (2014) Large-area monolayer hexagonal boron nitride on 109 Pt foil ACS nano, (8): pp 8520-8528 [88] Wu, Q., et al (2015) Single crystalline film of hexagonal boron nitride atomic monolayer by controlling nucleation seeds and domains Scientific reports, 5: pp 16159 [89] Hu, S., et al (2014) Proton transport through one-atom-thick crystals Nature, 516 (7530): pp 227 [90] Aufray, B., et al (2010) Graphene-like silicon nanoribbons on Ag (110): A possible formation of silicene Applied Physics Letters, 96 (18): pp 183102 [91] De Padova, P., et al (2010) Evidence of graphene-like electronic signature in silicene nanoribbons Applied Physics Letters, 96 (26): pp 261905 [92] De Padova, P., et al (2012) Multilayer silicene nanoribbons Nano letters, 12 (11): pp 5500-5503 [93] Feng, B., et al (2012) Evidence of silicene in honeycomb structures of silicon on Ag (111) Nano letters, 12 (7): pp 3507-3511 [94] Meng, L., et al (2013) Buckled silicene formation on Ir (111) Nano letters, 13 (2): pp 685-690 [95] Fleurence, A., et al (2012) Experimental evidence for epitaxial silicene on diboride thin films Physical review letters, 108 (24): pp 245501 [96] Tsipas, P., et al (2013) Evidence for graphite-like hexagonal AlN nanosheets epitaxially grown on single crystal Ag(111) Vol 103 251605-251605 [97] Mansurov, V., et al (2015) Graphene-like AlN layer formation on (111) Si surface by ammonia molecular beam epitaxy Journal of Crystal Growth, 428: pp 93-97 [98] Malin, T., et al (2015) 2D AlN crystal phase formation on (0001) Al2O3 surface by ammonia MBE physica status solidi c, 12 (5): pp 443-446 [99] Lin, S (2012) Light-emitting two-dimensional ultrathin silicon carbide The Journal of Physical Chemistry C, 116 (6): pp 3951-3955 [100] Zhao, L., et al (2016) Probing the thermodynamic stability and phonon transport in two-dimensional hexagonal aluminum nitride monolayer The Journal of Physical Chemistry C, 120 (48): pp 27675-27681 [101] Şahin, H., et al (2009) Monolayer honeycomb structures of group-IV elements and III-V binary compounds: First-principles calculations Physical Review B, 80 (15): pp 155453 [102] Keỗik, D., et al (2015) Layer-and strain-dependent optoelectronic properties of hexagonal AlN Physical Review B, 92 (16): pp 165408 [103] Alaal, N., et al (2016) First principles many-body calculations of electronic structure and optical properties of SiC nanoribbons Journal of Physics D: Applied Physics, 49 (10): pp 105306 110 [104] Lebegue, S and O Eriksson (2009) Electronic structure of two-dimensional crystals from ab initio theory Physical Review B, 79 (11): pp 115409 [105] Quhe, R., et al (2012) Tunable and sizable band gap in silicene by surface adsorption Sci Rep, 2: pp 853-8 [106] Drummond, N., V Zolyomi, and V Fal'Ko (2012) Electrically tunable band gap in silicene Physical Review B, 85 (7): pp 075423 [107] Tsai, W.-F., et al (2013) Gated silicene as a tunable source of nearly 100% spin-polarized electrons Nature communications, 4: pp 1500 [108] Zhao, H (2012) Strain and chirality effects on the mechanical and electronic properties of silicene and silicane under uniaxial tension Physics Letters A, 376 (46): pp 3546-3550 [109] Mortazavi, B., et al (2017) First-principles investigation of mechanical properties of silicene, germanene and stanene Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 87: pp 228-232 [110] Pei, Q.-X., et al (2014) Effects of temperature and strain rate on the mechanical properties of silicene Journal of Applied Physics, 115 (2): pp 023519 [111] Roman, R and S W Cranford (2014) Mechanical properties of silicene Vol 82 50–55 [112] Botari, T., et al (2014) Mechanical properties and fracture dynamics of silicene membranes Physical Chemistry Chemical Physics, 16 (36): pp 19417-19423 [113] Rouhi, S (2017) Fracture behavior of hydrogen-functionalized silicene nanosheets by molecular dynamics simulations Computational Materials Science, 131: pp 275-285 [114] Peng, Q., et al (2013) Mechanical stabilities and properties of graphene-like aluminum nitride predicted from first-principles calculations RSC Advances, (19): pp 7083-7092 [115] Andrew, R.C., et al (2012) Mechanical properties of graphene and boronitrene Physical review B, 85 (12): pp 125428 [116] Le, M.-Q (2014) Atomistic study on the tensile properties of hexagonal AlN, BN, GaN, InN and SiC sheets Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 11 (6): pp 1458-1464 [117] Jing, Y., et al (2013) Atomistic simulations on the mechanical properties of silicene nanoribbons under uniaxial tension physica status solidi (b), 250 (8): pp 1505-1509 [118] Tersoff, J (1989) Modeling solid-state chemistry: Interatomic potentials for multicomponent systems Physical Review B, 39 (8): pp 5566 111 [119] Erhart, P and K Albe (2005) Analytical potential for atomistic simulations of silicon, carbon, and silicon carbide Physical Review B, 71 (3): pp 035211 [120] Benkabou, F., M Certier, and H Aourag (2003) Elastic Properties of Zincblende G a N, A l N and I n N from Molecular Dynamics Molecular simulation, 29 (3): pp 201-209 [121] Lindsay, L and D Broido (2010) Optimized Tersoff and Brenner empirical potential parameters for lattice dynamics and phonon thermal transport in carbon nanotubes and graphene Physical Review B, 81 (20): pp 205441 [122] Kınacı, A., et al (2012) Thermal conductivity of BN-C nanostructures Physical Review B, 86 (11): pp 115410 [123] Jiang, J.-W and Y.-P Zhou (2017) Parameterization of Stillinger-Weber potential for two-dimensional atomic crystals arXiv preprint arXiv:1704.03147 [124] Stillinger, F.H and T.A Weber (1985) Computer simulation of local order in condensed phases of silicon Physical review B, 31 (8): pp 5262 [125] Allen, M.P and D.J Tildesley (2017) Computer simulation of liquids Oxford university press [126] Liu, B., et al (2004) The atomic-scale finite element method Computer methods in applied mechanics and engineering, 193 (20): pp 1849-1864 [127] Nasdala, L and G Ernst (2005) Development of a 4-node finite element for the computation of nano-structured materials Computational Materials Science, 33 (4): pp 443-458 [128] Wang, Y., et al (2006) Atomistic finite elements applicable to solid polymers Computational Materials Science, 36 (3): pp 292-302 [129] Wackerfuß, J (2009) Molecular mechanics in the context of the finite element method International Journal for Numerical Methods in Engineering, 77 (7): pp 969-997 [130] Nasdala, L., A Kempe, and R Rolfes (2010) The molecular dynamic finite element method (MDFEM) Computers Materials and Continua, 19 (1): pp 57 [131] Quý, L.M (2019) Phương pháp phần tử hữu hạn Nhà xuất giáo dục Việt Nam: pp 227 [132] Rheinboldt, W.C (1998) Methods for solving systems of nonlinear equations Vol 70 Siam [133] Reddy, J.N (1993) An introduction to the finite element method New York [134] Anderson, T.L and T.L Anderson (2005) Fracture mechanics: fundamentals and applications CRC press [135] Le, M.-Q and R.C Batra (2016) Mode-I stress intensity factor in single layer 112 graphene sheets Computational Materials Science, 118: pp 251-258 [136] Le, M.-Q and R.C Batra (2014) Crack propagation in pre-strained single layer graphene sheets Computational Materials Science, 84: pp 238-243 [137] Le, M.-Q and R.C Batra (2013) Single-edge crack growth in graphene sheets under tension Computational Materials Science, 69: pp 381-388 [138] Nguyen-Huu, T and Q Le-Minh (2018) Stress Analysis of Silicon-Based Anode in Li-Ion Battery p 95-104 [139] Xu, M., et al (2012) A coupled quantum/continuum mechanics study of graphene fracture International journal of fracture, 173 (2): pp 163-173 [140] Khare, R., et al (2007) Coupled quantum mechanical/molecular mechanical modeling of the fracture of defective carbon nanotubes and graphene sheets Physical Review B, 75 (7): pp 075412 [141] Zhang, P., et al (2014) Fracture toughness of graphene Nature communications, 5: pp 3782 [142] Le, M.-Q and Y Umeno (2017) Fracture of monolayer boronitrene and its interface with graphene International Journal of Fracture, 205 (2): pp 151-168 [143] Huang, B., et al (2012) Edge stability of boron nitride nanoribbons and its application in designing hybrid BNC structures Nano Research, (1): pp 62-72 [144] Terdalkar, S.S., et al (2010) Nanoscale fracture in graphene Chemical Physics Letters, 494 (6): pp 218-222 [145] Zhang, B., L Mei, and H Xiao (2012) Nanofracture in graphene under complex mechanical stresses Applied Physics Letters, 101 (12): pp 121915 [146] Tabarraei, A and X Wang (2015) A molecular dynamics study of nanofracture in monolayer boron nitride Materials Science and Engineering: A, 641: pp 225-230 [147] Wang, X., A Tabarraei, and D.E Spearot (2015) Fracture mechanics of monolayer molybdenum disulfide Nanotechnology, 26 (17): pp 175703 [148] Hwangbo, Y., et al (2014) Fracture characteristics of monolayer CVDgraphene Scientific reports, 4: pp 4439 [149] Kumar, R and A Parashar (2017) Fracture toughness enhancement of h-BN monolayers via hydrogen passivation of a crack edge Nanotechnology, 28 (16): pp 165702 [150] Li, N., et al (2017) Mechanical properties and failure behavior of hexagonal boron nitride sheets with nano-cracks Computational Materials Science, 140: pp 356-366 [151] Wei, X., et al (2015) Comparative fracture toughness of multilayer graphenes and boronitrenes Nano letters, 15 (1): pp 689-694 113 [152] Xiong, Q.-l., Z.-h Li, and X.-g Tian (2016) Fracture behaviors of precracked monolayer molybdenum disulfide: A molecular dynamics study Beilstein journal of nanotechnology, (1): pp 1411-1420 [153] Bao, H., et al (2018) Molecular dynamics simulation of nanocrack propagation in single-layer MoS2 nanosheets The Journal of Physical Chemistry C, 122 (2): pp 1351-1360 [154] Nakatani, K., et al (2000) Molecular dynamics study on mechanical properties and fracture in amorphous metal AIAA journal, 38 (4): pp 695-701 [155] Jin, Y and F Yuan (2005) Atomistic simulations of J-integral in 2D graphene nanosystems Journal of nanoscience and nanotechnology, (12): pp 2099-2107 [156] Batsanov, S.S (2001) Van der Waals radii of elements Inorganic materials, 37 (9): pp 871-885 [157] Bondi, A (1964) van der Waals volumes and radii The Journal of physical chemistry, 68 (3): pp 441-451 [158] Mantina, M., et al (2009) Consistent van der Waals radii for the whole main group The Journal of Physical Chemistry A, 113 (19): pp 5806-5812 [159] Liu, X.H., et al (2012) Size-dependent fracture of silicon nanoparticles during lithiation Acs Nano, (2): pp 1522-1531 [160] McDowell, M.T., et al (2013) In situ TEM of two-phase lithiation of amorphous silicon nanospheres Nano letters, 13 (2): pp 758-764 [161] Xu, R and K Zhao (2016) Mechanical interactions regulated kinetics and morphology of composite electrodes in Li-ion batteries Extreme Mechanics Letters, 8: pp 13-21 [162] Bucci, G., et al (2014) Measurement and modeling of the mechanical and electrochemical response of amorphous Si thin film electrodes during cyclic lithiation Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 62: pp 276-294 [163] Di Leo, C.V., E Rejovitzky, and L Anand (2015) Diffusion–deformation theory for amorphous silicon anodes: the role of plastic deformation on electrochemical performance International Journal of Solids and Structures, 67: pp 283-296 [164] Ding, N., et al (2009) Determination of the diffusion coefficient of lithium ions in nano-Si Solid State Ionics, 180 (3): pp 222-225 [165] Bucci, G., et al (2014) Measurement and modeling of the mechanical and electrochemical response of amorphous Si thin film electrodes during cyclic lithiation Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 62: pp 276-294 [166] Yoshimura, K., et al (2007) Measurement of the diffusion rate of Li in silicon by the use of bipolar cells Journal of Power Sources, 174 (2): pp 653-657 114 [167] Xia, H., S Tang, and L Lu (2007) Properties of amorphous Si thin film anodes prepared by pulsed laser deposition Materials research bulletin, 42 (7): pp 1301-1309 [168] Xie, J., et al (2010) Li-ion diffusion in amorphous Si films prepared by RF magnetron sputtering: A comparison of using liquid and polymer electrolytes Materials Chemistry and Physics, 120 (3): pp 421-425 [169] Johari, P., Y Qi, and V.B Shenoy (2011) The mixing mechanism during lithiation of Si negative electrode in Li-ion batteries: an ab initio molecular dynamics study Nano letters, 11 (12): pp 5494-5500 [170] Li, J., et al (2011) Potentiostatic intermittent titration technique for electrodes governed by diffusion and interfacial reaction the Journal of Physical Chemistry C, 116 (1): pp 1472-1478 [171] Crank, J (1975) DIFFUISION IN A PLANE SHEET The mathematics of diffusion: pp 47-48 [172] Bower, A.F., P.R Guduru, and V.A Sethuraman (2011) A finite strain model of stress, diffusion, plastic flow, and electrochemical reactions in a lithium-ion halfcell Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 59 (4): pp 804-828 [173] Zhao, K., et al (2011), Inelastic hosts as electrodes for high-capacity lithiumion batteries, AIP [174] Wang, H., S.P Nadimpalli, and V.B Shenoy (2016) Inelastic shape changes of silicon particles and stress evolution at binder/particle interface in a composite electrode during lithiation/delithiation cycling Extreme Mechanics Letters, 9: pp 430-438 [175] Polezhaev, Y.V (2011) Thermal conductivity, in A-to-Z Guide to Thermodynamics, Heat and Mass Transfer, & Fluids Engineering Begell House [176] Crank, J (1979) The mathematics of diffusion Oxford university press [177] Le, M.-Q and D.-T Nguyen (2014) Atomistic simulations of pristine and defective hexagonal BN and SiC sheets under uniaxial tension Materials Science and Engineering: A, 615: pp 481-488 [178] Sumigawa, T., et al (2015) Fracture toughness of silicon in nanometer-scale singular stress field Engineering Fracture Mechanics, 150: pp 161-167 [179] Guzmán-Verri, G.G and L.L.Y Voon (2007) Electronic structure of siliconbased nanostructures Physical Review B, 76 (7): pp 075131 [180] Masolin, A., et al (2013) Thermo-mechanical and fracture properties in single-crystal silicon Vol 48 979-988 [181] M Wilson, A and J R Dahn (1995) Lithium Insertion in Carbons Containing Nanodispersed Silicon Vol 142 326-332 115 [182] Brassart, L., K Zhao, and Z Suo (2013) Cyclic plasticity and shakedown in high-capacity electrodes of lithium-ion batteries International Journal of Solids and Structures, 50 (8): pp 1120-1129 [183] Cheng, Y.-T and M.W Verbrugge (2008) The influence of surface mechanics on diffusion induced stresses within spherical nanoparticles Journal of Applied Physics, 104 (8): pp 083521 [184] Vanimisetti, S.K and N Ramakrishnan (2012) Effect of the electrode particle shape in Li-ion battery on the mechanical degradation during charge– discharge cycling Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 226 (9): pp 2192-2213 [185] Pal, S., et al (2013) Modeling of lithium segregation induced delamination of a-Si thin film anode in Li-ion batteries Computational Materials Science, 79: pp 877-887 116 ... ion lithium gây vật liệu kết cấu cụ thể để ứng dụng chúng làm cực âm ắc quy Do vật liệu hai chiều có độ bền học cao, dung lượng chưa ion lithium lớn than chì nên có tiềm ứng dụng làm cực âm ắc quy. .. hai chiều kết cấu silicon làm cực âm ắc quy ion lithium" Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục đích: - Xác định tính phá hủy số vật liệu hai chiều có tiềm làm cực âm ắc quy ion lithium -... 1.3.1 Các bon Việc nghiên cứu cấu trúc khác bon (1D, 2D 3D) dùng làm cực âm nhằm làm tăng dung lượng chứa ion lithium tuổi thọ cho ắc quy CNT nghiên cứu để làm cực âm cho ắc quy ion lithium từ năm