MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong sống đại, thiết bị điện điện tử có vai trò quan trọng Rất nhiều thiết bị dùng nguồn lượng dự trữ, như: điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tính xách tay, xe đạp điện, xe máy điện Yêu cầu đặt nguồn lượng dự trữ nhỏ gọn, dung lượng lớn, tuổi thọ cao an toàn Ắc quy ion lithium có dung lượng lớn, kích thước nhỏ gọn, tốc độ sạc cao, không thải chất độc hại ứng viên hàng đầu cho vấn đề Trong phận ắc quy ion lithium, cực âm đóng vai trò định đến dung lượng, tốc độ sạc tuổi thọ ắc quy Do đó, việc nghiên cứu triển khai vật liệu mới, cấu trúc cực âm ắc quy ion lithium vấn đề mang tính thời có ý nghĩa khoa học Đây thách thức lớn, sạc phóng điện cực âm làm từ số vật liệu có biến dạng lớn gây ứng suất lớn, nứt, rỗng, tiếp xúc điện, dẫn đến dung lượng chứa ion lithium giảm nhanh sau thời gian ngắn sử dụng Việc xác định thông số học vật liệu làm cực âm thơng số q trình sạc, xả điện nhiệm vụ cấp bách Kết nghiên cứu góp phần tạo hệ ắc quy tốt ứng dụng thực tiễn Vì vậy, cần xác định tính chất học vật liệu có tiềm cách rõ ràng trước ứng dụng chúng để chế tạo cực âm Với kết cấu cực âm cụ thể, mô trình sạc điện, xác định đặc trưng học mối liên hệ chúng với thông số q trình sạc điện (dòng khuếch tán, hệ số khuếch tán ) để đưa kết cấu hợp lý Ở kích cỡ nano mét, mơ số góp phần làm giảm chi phí, thời gian thí nghiệm; tăng số lượng mẫu thử, thực với nhiều dạng kết cấu nhiều kích thước khác Chính lý đó, tên đề tài lựa chọn là: "Nghiên cứu ứng xử học vật liệu 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 - Mô trình sạc điện số kết cấu cực âm Si Kết mơ góp phần thiết kế, chế tạo hệ ắc quy ion lithium với khả tích điện lớn, tốc độ sạc cao, bền an toàn Đối tượng phạm vi nghiên cứu: - Những màng mỏng làm từ vật liệu hai chiều với cấu trúc lục giác phẳng (graphene, BN, SiC AlN) 31 vật liệu với cấu trúc lục giác low-buckled (silicene, germanene, bismuthene, b-CO, bSiC ) mơ thí nghiệm kéo để xác định mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, ứng suất kéo đứt, hệ số cường độ ứng suất - Một số kết cấu cực âm Si như: hạt cầu, trụ đĩa mỏng Si; trình sạc điện kết cấu Si bọc trụ đồng mô để xác định mối liên hệ thông số học (biến dạng, ứng suất, biến dạng dẻo ) thông số sạc điện (hệ số khuếch tán, dòng sạc tới hạn, ) Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử, tiến hành mơ thí nghiệm để xác định tính phá hủy vật liệu hai chiều, bao gồm: + Kéo màng nguyên để xác định mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, ứng suất kéo đứt biến dạng kéo đứt 35 vật liệu + Kéo màng có vết nứt cạnh bên để xác định hệ số cường độ ứng suất 31 vật liệu với cấu trúc lục giác low-buckled + Kéo màng với trường chuyển vị xung quanh đầu vết nứt để tính hệ số cường độ ứng suất 35 vật liệu - Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn MARC để mơ q trình sạc điện vào cực âm ắc quy ion lithium Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Nhóm vật liệu hai chiều (2D) (điển hình như: graphene, BN, SiC, silicene, MoS2, MoSe2, WS2 ) có thuộc tính khác hồn tồn so với vật liệu dạng khối Do có khả dẫn điện, dẫn nhiệt tốt độ bền học cao nên loại vật liệu ứng dụng thiết bị quang học, chất bán dẫn, thiết bị điện, máy lọc nước làm cực âm ắc quy ion lithium Nghiên cứu xác định tính nhóm vật liệu mang ý nghĩa khoa học lớn Trong phận ắc quy ion lithium, cực âm đóng vai trò định đến khả tích điện, tốc độ sạc điện tuổi thọ Silicon vật liệu có dung lượng chứa ion lihium cao (4200 mAh/g), thể tích cực âm làm từ silicon tăng lớn sạc đầy (300400%) nên ắc quy loại chưa ứng dụng vào thực tế Mơ q trình sạc điện cực âm Si để xác định đặc trưng học thơng số q trình sạc điện mang ý nghĩa khoa học tính ứng dụng thực tiễn cao Điểm luận án: - Đã xác định tính phá hủy 35 vật liệu cấu trúc hai chiều có tiềm dùng làm cực âm ắc quy - Mơ q trình sạc điện cực âm ắc quy Si bọc vào trụ đồng; cực âm Si với kết cấu hạt cầu, trụ dài, đĩa mỏng; thực với nhiều điều kiện biên thông số khác Kết mô mối quan hệ thông số học với thông số sạc điện, đưa lưu ý thiết kế, chế tạo ắc quy Luận án gồm 116 trang với bảng biểu, 98 hình vẽ đồ thị, 184 tài liệu tham khảo Mở đầu (2 trang), Chương Tổng quan vật liệu làm cực âm ắc quy ion lithium (12 trang), Chương Cơ sở lý thuyết (16 trang), Chương Mô ứng xử học vật liệu hai chiều (21 trang), Chương Mô ứng xử học kết cấu hạt cầu, trụ đĩa mỏng silicon dùng làm cực âm ắc quy ion lithium (20 trang), Chương Mô ứng xử học kết cấu silicon bọc vào trụ đồng kích cỡ nano mét dùng làm cực âm ắc quy ion lithium (18 trang), Kết luận kiến nghị (2 trang), Danh mục công bố (1 trang), Tài liệu tham khảo (11 trang) CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU LÀM CỰC ÂM ẮC QUY ION LITHIUM 1.1 Sự đời phát triển ắc quy ion lithium Ắc quy Li-ion lần đầu thương mại hóa nhờ Sony Energitech năm 1991 Ngày nay, ắc quy Li-ion trở thành loại ắc quy thống trị thị trường ắc quy dành cho thiết bị di động toàn giới 1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động ắc quy ion lithium 1.2.1 Cấu tạo ắc quy ion lithium Ắc quy ion lithium gồm phận sau: - Các điện cực (collector) - Cực âm (anode) - Cực dương (cathode) - Màng ngăn - Chất điện mơi Hình 1.1 Cấu tạo ắc quy ion lithium 1.2.2 Nguyên lý hoạt động ắc quy ion lithium - Quá trình nạp điện, thể qua phương trình điện ly: Lix MOy + X = Lix X + MOy (1.3) - Quá trình xả điện: Lix X + MOy = Lix MOy + X (1.6) 1.3 Vật liệu làm cực âm ắc quy ion lithium 1.3.1 Các bon Ngồi cấu trúc than chì đùng làm cực âm nay, nghiên cứu cấu trúc nano bon có khả tích điện cao hơn, số kết cấu cho thấy khả ổn định hơn, nhiên việc ứng dụng dùng để thương mại hóa nhiều hạn chế như: khơng bền, dung lượng giảm nhanh… Ngoài ứng xử học cực âm với cấu trúc nano bon cần nghiên cứu cách kỹ lưỡng trước đưa vào thương mại 1.3.2 Kim loại, xít kim loại hợp kim Các nghiên cứu rằng, cực âm làm từ kim loại, xít kim loại hợp kim ưu việt nhiều so với cực âm thị trường Ở kích cỡ nano mét, cực âm cho thấy khả tích điện vượt trội Tuy vậy, cực âm làm từ kim loại, xít kim loại hợp kim cần phải nghiên cứu kỹ trước đưa vào thương mại hóa tăng thể tích, kích thước bề mặt kích thước lỗ hổng 1.3.3 Silicon Các nguyên tố thuộc nhóm IV Theo lý thuyết, dung lượng chứa ion Li+ Si 4200 3579 mAh/g Tuy nhiên, thể tích cực âm làm từ Si tăng lên lớn ion Li+ khuếch tán vào Thể tích cực âm làm từ Si tăng lên 400% sạc đầy ứng với Li22Si5 Chính vậy, có nhiều cơng trình nghiên cứu cực âm làm từ Si Nhiều nhóm tác giả đề xuất nghiên cứu dạng cấu trúc khác cực âm làm từ Si với mong muốn tạo hệ ắc quy với khả sạc nhanh, khả tích điện cao, tuổi thọ lớn, an tồn sử dụng Hình 1.6 Cấu trúc Si bọc trụ Cu kích cỡ nano mét Trên hình 1.6 cấu trúc Si bọc vào trụ Cu kích cỡ nano mét Theo nghiên cứu nhóm tác giả Kim, Jeong, Shin, Cho, Lee, cấu trúc cực âm từ Si Cu có khả tích điện cao tốc tộ sạc lớn Tuy nhiên, nghiên cứu họ chưa nghiên cứu sâu tính chất học kết cấu 1.3.4 Vật liệu 2D Vật liệu với cấu trúc chiều vật liệu có khả tích điện cao so với than chì dùng làm cực âm Do đó, vật liệu hai chiều với cấu trúc lục giác vật liệu có triển vọng lớn ứng dụng làm cực âm ắc quy 1.4 Kết luận chương Những vật liệu với khả tích trữ cho phép ion lithium dễ dàng di chuyển bên có khả làm cực âm Trên thị trường nay, than chì vật liệu để chế tạo cực âm ắc quy với dung lượng chứa ion lithium 372 mAh/g Si vật liệu có dung lượng chứa ion lithium cao nhất, khoảng 4200 mAh/g Tuy nhiên, cực âm làm Si có biến dạng lớn nên ắc quy loại chưa thương mại hóa Những vật liệu hai chiều có khả tích điện cao so với than chì có tiềm ứng dụng làm cực âm ắc quy ion lithium Vật liệu hai chiều thường vật liệu phát nên tính chúng chưa nghiên cứu xác định đầy đủ Nghiên cứu để xác định tính chúng mang tính khoa học, thời có ý nghĩa lớn Qua phân tích, đánh giá, hai loại vật liệu nghiên cứu luận án Si 35 vật liệu với cấu trúc lục giác gồm: vật liệu cấu trúc lục giác phẳng (graphene, BN, AlN, SiC), vật liệu b-M có cấu trúc lục giác low-buckled (M ký hiệu nguyên tố hóa học đó) 23 vật liệu b-MX có 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) vật liệu hứa hẹn chế tạo cực âm ắc quy với dung lượng chứa ion lithium cao, tốc độ sạc lớn, bền an toàn CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Vật liệu hai chiều Vật liệu hai chiều (2D) đơi gọi vật liệu lớp vật liệu tinh thể bao gồm lớp nguyên tử Hình 2.1 Cấu trúc lục giác vật liệu 2D Trong đó: a) cấu trúc lục giác phẳng, b) cấu trúc lục giác low-buckled 2.2 Thế tương tác nguyên tử 2.2.1 Hàm Tersoff E =  Ei = Vij , i j i 2.2.2 Hàm Stillinger-Weber E = Er + E Er = (2.1) (2.5) m V i =1 E = (2.6) n V i =1 V2 = Ae (2.7) ( )  / rij − rmax    ( (B / r ij − 1) ) ij / rij − rmax ij +ik / ( rik − rmax ik )  V3 = Ke (2.8) ( cos(  ) − cos(  )) ij k (2.9) 2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử 2.3.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử Các tính chất học vật liệu cấu trúc nguyên tử thường nhà khoa học sử dụng phương pháp mô số để xác định 2.3.2 Xây dựng hệ phương trình phần tử hữu hạn nguyên lý toàn phần cực tiểu Nguyên lý toàn phần cực tiểu:  = U − Wext = U − 3N fQ i (2.10) i i =1 Fi ( k ) = fi − K ij = U ( k ) , i =  3N ; si  2U , i, j =  N si s j (2.14) (2.15) 2.4 Cơ học phá hủy Hình 2.6 Mơ hình vết nứt * Sử dụng toán kéo với vết nứt cạnh bên để tính hệ số cường độ ứng suất: K Ic =  f  a0 (2.19a) với chưa biết chiều dày thì: K Ict =  f t  a0 =1.12 * Sử dụng toán trường chuyển vị để tính KIc K r    ux = I cos    − + 2sin  ; 2 2 2   K r    uy = I sin    + − 2cos  , 2 2 2   (2.19b) (2.20a) (2.20b) Hình 2.9 Trường chuyển vị đầu vết nứt (những nguyên tử mầu xanh có chuyển vị theo cơng thức 2.19a 2.19b) (hình trái) vết nứt dọc theo phương ZZ, (hình phải) vết nứt dọc theo phương AC 2.5 Đặc trưng học cực âm sạc xả điện 2.5.1 Biến dạng cực âm dòng khuếch tán Li+ biến dạng cực âm thể qua phương trình: d ijtt = d ijl + d ije + d ijp = ln 1 + ΩC    3C đó, ta có:  ijl = ij  C (2.27) (2.31) (2.32) Phương trình 2.32 tương tự phương trình dãn nở nhiệt 2.5.2 Sự tương tự toán nhiệt toán khuếch tán Để giải toán khuếch tán Li+ vào Si giải toán truyền nhiệt vào Si tương ứng, coi 𝑇 = 𝐶̅ Quá trình sạc điện tương ứng với trình cấp nhiệt ngườc lại, trình xả điện tương ứng với trình tỏa nhiệt 2.6 Kết luận chương Chương luận án trình bày sở lý thuyết về: vật liệu hai chiều, hàm thế, phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử đặc trưng học cực âm ảnh hưởng dòng ion lithium Theo kết phân tích, đánh giá sở khoa học nêu trên, hàm phương pháp lựa chọn để thực luận án bao gồm: - Lựa chọn hàm Tersoff Stillinger-Weber để mô - Sử dụng AFAM để mơ thí nghiệm kéo màng vật liệu hai chiều với mục đích xác định mơ đun đàn hồi hai chiều Yt, hệ số Poisson , ứng suất kéo đứt hai chiều ft, ứng suất kéo đứt màng có vết nứt, biến dạng kéo đứt , hệ số cường độ ứng suất KIc - Mô q trình sạc điện cực âm thơng qua mơ q trình truyền nhiệt CHƯƠNG MƠ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC VẬT LIỆU HAI CHIỀU 3.1 Các bước tính hệ số cường độ ứng suất 3.1.1 Tính hệ số cường độ ứng suất phương pháp kéo có vết nứt cạnh bên Theo cơng thức 2.19a 2.19b KIc tính kéo có vết nứt cạnh bên 3.1.2 Bằng phương pháp trường chuyển vị Để tính hệ số cường độ ứng suất theo phương pháp trường chuyển vị, tiến hành mô theo hai bước sau: Bước 1: kéo nguyên để tính hệ số Poisson mơ đun đàn hồi hai chiều Bước 2: Sử dụng công thức 2.20a 2.20b để tính chuyển vị nguyên tử biên toán kéo với vết nứt 1/2 chiều rộng 3.2 Kéo nguyên 3.2.1 Sử dụng hàm Tersoff Hình 3.1 Quan hệ ứng suất biến dạng kéo Trái) Kéo màng Silicene; Phải) Kéo màng AlN Bảng 3.2 Đặc trưng học nghiên cứu (ZZ AC hai phương ZZ AC tương ứng Hướng kéo định dấu ngoặc đơn Tấm Silicene AlN SiC BN Graphene Mô đun đàn hồi Yt, N/m 52.5 (ZZ) 51.8 AC) 130.9 (ZZ) 126.7 (AC) 174 (ZZ) 171 (AC) 258 (ZZ) 251 (ZZ) 358 (ZZ) 350 (AC) 0.099 (ZZ) 0.094 (AC) 0.245 (ZZ) 0.241 (AC) 4.87 (ZZ) 6.35 (AC) 15.05 (ZZ) 13.40 (AC) Biến dạng ứng suất lớn nhất, % 17.6 (ZZ) 22.8 (AC) 23.89 (ZZ) 17.72 (AC) 0.18 20.7 (ZZ) 17.9 (AC) 37.7 (ZZ) 35.5 (AC) 40.3 (ZZ) 37.0 (AC) 24.8 (ZZ) 18.5 (AC) 25.7 (ZZ) 26.4 (AC) 20.0 (ZZ) 18.0 (AC) Hệ số Poisson 0.29 ~0.07 10 Ứng suất lớn .t, N/m 3.2.2 Sử dụng hàm Stillinger-Weber Hình 3.3 Quan hệ ứng suất biến dạng màng sử dụng hàm Stillinger-Weber kéo Silicene Hình 3.10 Quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu b-CM có cấu trúc lục giác low-buckled sử dụng hàm Stillinger-Weber kéo, M ký hiệu vật liệu nhóm VI: a) Kéo theo phương armchair; b) Kéo theo phương zigzag 3.3 Xác định hệ số cường độ ứng suất 3.3.1 Kéo vết nứt cạnh bên với hàm Stillinger-Weber Hình 3.12 Màng có vết nứt: a) Màng với 13376 nguyên tử vết nết song song phương zigzag; b) Màng có 12264 nguyên tử, vết nứt song song phương armchair 11 Kết kéo xác định ứng suất kéo đứt Germanene kéo theo phương AC (vết nứt cạnh bên song song ZZ) kéo theo phương ZZ (vết nứt cạnh bên song song AC) tương ứng là: ft(AC)=2.86 N/m ft(ZZ)=2.919 N/m, chiều dài vết nứt tương ứng theo hai phương AC ZZ a0 (ZZ)=3.04410-9 (m) a0(AC)=2.92910-9 (m) Thay giá trị vào công thức 2.19b ta được: K Ic t ( / / AC ) = 1.12  2.86  3.141 2.929  10−9 = 3.072  10−4 Nm-1/2; K Ic t ( / / ZZ ) = 1.12  2.919  3.141 3.044  10−9 = 3.197  10−4 Nm-1/2 3.3.2 Trường chuyển vị với hàm Tersoff Hình 3.16 Quan hệ hệ số cường độ ứng suất biến dạng liên kết đầu vết nứt: a) Màng Silicene; b) Màng AlN Bảng 3.7 Giá trị tới hạn hệ số tập trung ứng suất KIc Tấm Silicene AlN SiC BN Graphene Vết nứt // AC Vết nứt // ZZ KIct, KIc, KIct, 10-4 MPa m 10-4 N/m1/2 N/m1/2 3.07 0.73 3.15 5.13 1.51 4.11 8.09 2.13 6.38 12.04 3.54 10.57 15.4 4.53 11.59 12 t, Å KIc, MPa m 0.75 1.21 1.68 3.11 3.4 4.2 3.4 3.8 3.4 3.4 3.3.3 Trường chuyển vị với hàm Stillinger-Weber Hình 3.21 Quan hệ cường độ ứng suất biến dạng liên kết đầu vết nứt màng Silicene Với việc sử dụng hai phương pháp khác nhau, hệ số cường độ ứng suất 31 vật liệu có cấu trúc lục giác low-buckled xác định 3.4 Kết luận chương Trong chương 3, AFEM sử dụng để tiến hành mơ thí nghiệm kéo màng vật liệu hai chiều với cấu trúc lục giác Kết chương bao gồm: - Đã xác định thông số học (mô đun đàn hồi hai chiều, hệ số Poisson, ứng suất hai chiều kéo đứt, biến dạng kéo đứt hệ số cường độ ứng suất KIc) vật liệu: silicene, AlN, graphene, BN SiC AFEM với việc sử dụng hàm Tersoff Khi so sánh kết tính mô đun đàn hồi màng silcene với kết Cranfond, sai số theo phương zigzag 4.2%, theo phương armchair -16.8% Mô đun đàn hồi màng AlN so sánh với kết Peng, sai số theo hai phương zigzag armchair -3.5% -6.6% - Xác định mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, ứng suất kéo đứt, biến dạng kéo đứt 31 vật liệu với cấu trúc lục giác AFEM với việc sử dụng hàm Stillinger-Weber Kết so sánh với nghiên cứu Jiang Zhou , sai số mô đun đàn hồi khoảng -2.3 % đến 2.1%; hệ số Poisson khoảng đến 20%; ứng suất kéo đứt từ -15.3% đến 1.1% biến dạng kéo đứt từ -12.6% đến 1.9% - Xác định hệ số cường độ ứng suất 31 vật liệu phương pháp trường chuyển vị xung quanh đầu vết nứt sử dụng hàm 13 Stillinger-Weber Trong đó, kết tính KIc Silicene so sánh với việc sử dụng hàm Tersoff, sai số khoảng 6% Với việc mơ tốn kéo màng có vết nứt cạnh, hệ số cường độ ứng suất 31 vật liệu xác định Việc xác định đặc trưng học cho 35 vật liệu có cấu trúc lục giác phẳng low-buckled thông qua trình mơ số đóng góp phần cơng sức vào việc bổ sung, hoàn thiện hiểu biết cơ, lý hóa tính nhóm vật liệu Từ đó, làm sở để ứng dụng chúng chế tạo sản suất Với nội dung nghiên cứu chương 3, công bố báo tạp chí thuộc danh mục SCIE CHƯƠNG MƠ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA KẾT CẤU HẠT CẦU, TRỤ VÀ ĐĨA MỎNG SILICON DÙNG LÀM CỰC ÂM CỦA ẮC QUY ION LITHIUM 4.1 Mơ hình tốn Hình 4.1 Mơ hình tốn Trong đó, 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 hại 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) 1/4 hình chiếu đứng đĩa dùng mô 4.2 Thông số vật liệu Thông số vật liệu Si phụ thuộc vào nồng độ tương đương Li+ chứa 14 ( ) (C ) =  + C ( − ) ( C ) =  + C ( −  ) ESi C = E0 + C ( E1 − E0 ) (4.1)  Si (4.2)  Siy y y y (4.3) 4.3 Chia lưới kiểm chứng mơ hình Mơ hình Cầu trụ Si với 1982 phần tử tứ giác nút sử dụng Mơ hình đĩa với 1403 phần tử tứ giác nút đuợc dùng để mô 4.4 Kết mơ thảo luận Hình 4.11 Ảnh hưởng dòng sạc q trình sạc điện kết cấu đĩa Trong đó: a) phân bố nhiệt độ; b) phân bố ứng suất tương đương Von Mises; c) phân bố biến dạng dẻo tương đương Hình 4.14 a) Biến dạng dẻo lớn nhất, b) Biến dạng dẻo nhỏ 15 Hình 4.15 Phương trình đường tới hạn dòng sạc kết cấu đĩa Hình 4.16 Hiệu suất sạc phụ thuộc vào dòng sạc khơng thứ ngun Hình 4.17 Hình ảnh chụp q trình mơ sạc điện hạt Si thời điểm dừng sạc Trong đó: a) Phân bố nồng độ ion Li+; b) Phân bố ứng suất Von Mises; c) phân bố biến dạng dẻo Thơng số mơ phỏng, bán kính cầu A=200nm, hệ số khuếch tán D=100 nm2/s, 16 J = 0.04 , t/tstop=1 Hình 4.22 Quan hệ dòng sạc khơng thứ ngun với bán kính mật độ dòng điện 4.5 Kết luận chương Đã xác định dòng sạc tới hạn J c Với kết cấu hạt Si, giá trị dòng sạc tối ưu J c  0.049 , giá trị tương ứng kết cấu đĩa J c = 0.59, 0.296, 0.198 0.148 với chiều dày đĩa là: H/A=0.05, 0.1, 0.15 0.2 Với dòng sạc nhỏ dòng sạc tối ưu kết cấu đạt hiệu suất sạc lớn; kết cấu hạt Si đĩa Si không xảy tượng biến dạng dẻo, vật liệu làm việc miền đàn hồi CHƯƠNG MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA KẾT CẤU SILICON BỌC VÀO TRỤ ĐỒNG KÍCH CỠ NANO MÉT DÙNG LÀM CỰC ÂM ẮC QUY ION LITHIUM 5.1 Mơ hình tốn thơng số vật liệu 5.1.1 Mơ hình tốn Hình 5.4 Mơ hình dùng mơ kết cấu Si bọc trụ Cu với ion Li+ toàn bề mặt Si, có xét đến ảnh hưởng góc lượn Si 5.2 Kết mơ thảo luận q trình sạc điện kết cấu Si bọc trụ Cu kích cỡ nano mét 17 Hình 5.11 Nồng độ Li+ lớn kết cấu ứng với trường hợp khác D Hình 5.12 Ứng suất Von Mises lớn kết cấu ứng với giá trị khác D Hình 5.13 Biến dạng dẻo lớn kết cấu với giá trị khác D Trên đồ thị hình 5.11, 5.12, 5.13 nêu nên ảnh hưởng hệ số khuếch tán đến kết cấu Qua đồ thị thấy được, thời gian sạc D lớn nồng độ ion Li+ lớn nhất, biến dạng dẻo lớn nhỏ 18 Hình 5.20 Các giá trị lớn kết cấu phụ thuộc vào thời gian sạc với giá trị khác dòng khuếch tán Trong đó: a) Nồng độ tương đương 𝐶̅ 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 t: thời gian sạc, tmax thời gian sạc theo lý thuyết để toàn lớp Si chứa đầy Li+ Trên đồ thị hình 5.20, so sánh ảnh hưởng dòng sạc đến giá trị lớn kết cấu mô Qua đồ thị hình 5.20a, thấy dòng sạc lớn J=2 nm-2s-1 sau khoảng thời gian sạc t/tmax=0.15 lớp bề mặt xuất vị trí đạt nồng độ lớn 19 Hình 5.26 Đồ thị thể tách lớp Si Cu ứng với giá trị khác GC Hình 5.29 Hình ảnh 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; and d) t/tmax=0.3 5.3 Kết luận chương Mô trình sạc điện cực âm Si bọc vào trụ Cu kích nano mét đạt số kết sau: - Kết cấu với điều kiện biên dòng ion Li+ tồn bề mặt Si có hiệu sạc điện Tại vị trí kết cấu ứng với điểm P, nồng độ ion Li+ Si nhanh chóng đạt đến nồng độ bão hòa - Kết cấu Si có góc lượn kết cấu với điều kiện biên khơng có dòng ion đỉnh trụ Si có hiệu sạc điện tương đương - Khi dòng sạc cao hệ số khuếch tán nhỏ hiệu sạc điện kém, ion Li+ khuếch tán vào lớp mỏng bề mặt Si Với dòng sạc thấp hệ số khuếch tán cao, phân bố Li+ đồng hơn, 20 hiệu suất sạc điện cao - Năng lượng liên kết Si Cu nhỏ khả bong tách hai lớp vật liệu lớn Khi Gc>20 J/m2, khơng xuất hiện tượng bong tách Si Cu - Sau khoảng thời gian sạc ngắn, kết cấu cho thấy ứng suất tương đương lớp Si cao - Trong kết cấu vị trí điểm Q (xem hình 5.2 hình 5.3) có biến dạng dẻo lớn Tại đây, có chèn ép Si phần trụ phần chân đế Với nội dung chương 5, công bố 01 hội thảo Quốc tế tuyển tập springer thuộc danh mục SCOPUS, 02 báo hội nghị học tồn quốc có số ISBN, 01 báo hội nghị hội học vật rắn biến dạng có số ISBN 01 báo tạp chí Cơ khí Việt Nam KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận án với bố cục gồm chương, mục tiêu nghiên cứu, mục đích nghiên cứu giải chương Các chương luận án trình bày kết nghiên cứu, là: xác định tính phá hủy số vật liệu hai chiều, mơ q trình sạc điện cực âm Si vơ định hình Với mục đích đặt ra, 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 low-buckled; trình học xảy số kết cấu cực âm làm từ vật liệu Si vơ 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 phần tử hữu hạn nguyên tử xác định 21 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 AFEM, 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 thông qua kéo màng có vết nứt cạnh Các kết nghiên cứu so sánh với kết nghiên cứu trước 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 mô 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 q 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) Q trình sạc điện vào cực âm Si với kết cấu hạt cầu, trụ dài đĩa mỏng Si mô với nhiều tốc độ sạc khác Nồng độ ion lithium, ứng suất biến dạng dẻo nghiên cứu, phân tích đánh giá Thơng qua mơ cho thấy, với điều kiện sạc điện, 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 KIẾN NGHỊ Dựa kết nghiên cứu luận án, đề xuất hướng 22 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 - Thiết kết, 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 - 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 23 ... ứng xử học kết cấu hạt cầu, trụ đĩa mỏng silicon dùng làm cực âm ắc quy ion lithium (20 trang), Chương Mô ứng xử học kết cấu silicon bọc vào trụ đồng kích cỡ nano mét dùng làm cực âm ắc quy ion. .. định tính vật liệu có cấu trúc khác cấu trúc Silicene, vật liệu có tiềm dùng làm cực âm ắc quy - Thiết kết, đề xuất cấu trúc cực âm làm từ Si tạo hệ ắc quy sớm đưa ắc quy có cực âm làm Si vào thị... họ chưa nghiên cứu sâu tính chất học kết cấu 1.3.4 Vật liệu 2D Vật liệu với cấu trúc chiều vật liệu có khả tích điện cao so với than chì dùng làm cực âm Do đó, vật liệu hai chiều với cấu trúc