Nghiên cứu ứng xử cơ học vật liệu hai chiều và kết cấu silicon làm cực âm ắc quy ion lithium

Nghiên cứu ứng xử cơ học vật liệu hai chiều và kết cấu silicon làm cực âm ắc quy ion lithium Nghiên cứu ứng xử cơ học vật liệu hai chiều và kết cấu silicon làm cực âm ắc quy ion lithium Nghiên cứu ứng xử cơ học vật liệu hai chiều và kết cấu silicon làm cực âm ắc quy ion lithium luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỮU TÚ NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC VẬT LIỆU HAI CHIỀU VÀ KẾT CẤU SILICON LÀM CỰC ÂM ẮC QUY ION LITHIUM LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Hữu Tú NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC VẬT LIỆU HAI CHIỀU VÀ KẾT CẤU SILICON LÀM CỰC ÂM ẮC QUY ION LITHIUM Ngành: Cơ học Mã số: 9440109 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Lê Minh Quý Hướng dẫn khoa học 2: TS Trần Đình Long Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn nội dung, kết trình bày luận án kết nghiên cứu thân hướng dẫn khoa học PGS.TS Lê Minh Quý TS Trần Đình Long Trừ phần tham khảo ghi rõ luận án, số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày Thay mặt tập thể hướng dẫn PGS.TS Lê Minh Quý tháng năm 2019 Nguyễn Hữu Tú LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn: PGS.TS Lê Minh Quý TS Trần Đình Long trực tiếp hướng dẫn thực luận án Trong thời gian làm NCS, bảo giúp đỡ thầy, trưởng thành nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học Thầy hướng dẫn tận tình bảo tơi, giải đáp tháo gỡ khúc mắc liên quan; đồng thời thầy hướng dẫn người đường, dẫn lối để tơi hết quãng thời gian làm NCS Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể cán giảng viên Bộ môn Cơ học vật liệu kết cấu, Viện Cơ khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi để thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn đồng chí đồng đội, tồn thể cán giáo viên Khoa Khoa học Cơ bản, Học viện Hậu Cần; cảm ơn lãnh đạo cấp Học Viện Hậu Cần ủng hộ, giúp đỡ tạo điều kiện để làm NCS trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tơi muốn bày tỏ biết ơn đến Ban Giám hiệu, Phịng Đào tạo, Viện khí Trường Đại Học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Cuối tơi gửi lời cảm ơn tới gia đình ủng hộ tạo điều kiện để có thời gian làm nghiên cứu Để hồn thành luận án vợ gia đình tơi động viên giúp đỡ nhiều mặt; gia đình hậu phương vững chắc, động lực để giúp tơi hồn thành luận án tiến sĩ 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 20 1.3.3 Silicon nguyên tố thuộc nhóm IV 21 1.3.4 Vật liệu hai chiều (2D) 24 1.4 Kết luận chương 25 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 41 2.6 Kết luận chương 42 CHƯƠNG 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 tốn 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 Mô hình tốn thơng số vật liệu 84 5.1.1 Mơ hình toán 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 dịng 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 Dịng sạc khơng thứ ngun, dịng sạc khơng thứ ngun tới hạn Hệ số cường độ ứng suất KI 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 Y t Z/A ZZ σ σf σeq σy ν ε εp τ=t/tmax BN Si SiC Cmax Stillinger-Weber 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 Silicon carbide Nồng độ lớn 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 3.3 (tiếp) 47 Bảng 3.4 Thông số vật liệu liên kết thẳng cho hàm Stillinger-Weber 47 Bảng 3.4 (tiếp) 48 Bảng 3.5 Thơng 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/W≈0.1; trường chuyển vị a0/W≈1/2 63 Bảng 4.1 Thông số dùng mô 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 dịng 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 khơng phân rãnh; b) Kết cấu phủ tồn Si lên điện cực; c) Kết cấu phủ Si lên phần rãnh (nguồn: [63]) 23 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 ngồi Si (nguồn:[67]) 24 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 .án chủ yếu 98 bề mặt Si nên lớp Si chịu biến dạng với ứng suất lớn Biến dạng dẻo lớn xảy góc kết cấu, điểm Q hình 5.4 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 Hình 5.28 5.31 biểu diễn giá trị lớn ứng suất Von Mises biến dạng dẻo kết cấu phụ thuộc vào thời gian sạc Kết cho thấy, sau khoảng thời gian sạc ngắn (t/tmax=0.01), kết cấu xuất ứng suất lớn Điều giải thích lớp bề mặt Si tiếp xúc với vùng giàu ion lithium Sự khuếch tán ion lithium làm cho ứng suất Si tăng lên cách đột ngột Đồng thời, biến dạng dẻo lớn kết cấu tăng lên nhanh (đồ thị có độ dốc lớn) Hình ảnh phân bố biến dạng dẻo thấy rõ phần góc Si (điểm Q) có chèn ép hai lớp Si nên có giá trị lớn 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 Jm-2, J= nm-2s-1 99 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Hữu Tú NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC VẬT LIỆU HAI CHIỀU VÀ KẾT CẤU SILICON LÀM CỰC ÂM ẮC QUY ION LITHIUM Ngành: Cơ học Mã số: 9440109... 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. .. 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