Збірник наукових праць Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Рік 2025 Том 23, Випуск 4
Завантажити повну версію статті (PDF, Англійською / In English) Open Access

F. MOLLAAMIN1

1Department of Biomedical Engineering, Faculty of Engineering and Architecture, Kastamonu University, Kastamonu, Turkey

In Situ Solid-State Hybrid Lithium-Ion (Boron, Aluminium, Gallium) Batteries with Efficient Energy Density Realized by a Simulated Anode of Silicon-Germanium Oxide Nanocomposite

1059–1074 (2025)

Опубліковано 25 грудня 2025 р.

Оскільки густина енергії комерційних Літій-йонних акумуляторів (Li) з графітовою анодою є низькою, гібридний стоп [Літій Бор (В), Алюміній (Al), Галій (Ga)]-йонного акумулятора було розраховано за допомогою моделювання аноди з нанокластерів оксид Германію-оксид Силіцію (GeO-SiO) та оксид Стануму-оксид Силіцію (SnOSiO). Зокрема, розроблено масштабований метод моделювання для виготовлення гібридного стопу нанокластерів (GeOSiO) та (SnOSiO), який діє як розумний анодний нанокомпозит для інтеркаляції йонів Літію та у подальшому металоїдів/металів (Бору, Алюмінію та Галію) завдяки підвищеній літіофільності й ефективному шляху йонної провідности. Нанокластери (GeOSiO) та (SnOSiO) було розроблено й охарактеризовано як електроди для гібридних Літій-йонних акумуляторів (LIB) завдяки утворенню нанокластерів [LiB(GeOSiO)], [LiAl(GeOSiO)], [LiGa(GeOSiO)], [LiB(SnOSiO)], [LiAl(SnOSiO)] та [LiGa (SnOSiO)]. У цій роботі досліджуються металоїдні/металічні елементи третьої групи в гібридних LiB-, LiAl-, LiGa-йонних акумуляторах за допомогою обчислювальних підходів, що ґрунтуються на аналізі ріжниць густин заряду (CDD), повних густин стану (TDOS), функцій локалізації електронів (ELF). Більш високий вміст Ge/Sn порівняно з Si може збільшити ємність акумулятора для накопичення енергії порівняно з чистими Літій-йонними акумуляторами та поліпшити швидкість заряду за рахунок підвищення електропровідности. Крім того, анодні матеріяли (GeOSiO) та (SnOSiO) можуть поліпшити циклічну стабільність, виключаючи виснаження електроди та збільшуючи ємність завдяки вищим поверхневим ємнісним впливам. Розроблено масштабований метод виготовлення нанокомпозиту, який діє як імітована анода для інтеркаляції йонів Літію й у подальшому стопів літію металоїд/метал завдяки підвищеній літіофільності й достатній кількості шляхів провідности йонів.

КЛЮЧОВІ СЛОВА: нанокомпозити, гібридні батареї літій-йони третьої групи, енергозбереження, густина станів, електропровідність

Цитування:
F. Mollaamin, In Situ Solid-State Hybrid Lithium-Ion (Boron, Aluminium, Gallium) Batteries with Efficient Energy Density Realized by a Simulated Anode of Silicon-Germanium Oxide Nanocomposite, Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii, 23, No. 4: 1059–1074 (2025); https://doi.org/10.15407/nnn.23.04.1059
ЛІТЕРАТУРА
  1. Xiuyun Zhao and Vesa-Pekka Lehto, Nanotechnology, 32, No. 4: 042002 (2021); https://doi.org/10.1088/1361-6528/abb850
  2. Qingbo Wen, Fangmu Qu, Zhaoju Yu, Magdalena Graczyk-Zajac, Xiang Xiong, and Ralf Riedel, J. Adv. Ceram., 11: 984 (2022); https://doi.org/10.1007/s40145-022-0600-8
  3. Mingzheng Ge, Chunyan Cao, Gill M. Biesold, Christopher D. Sewell, Shu-Meng Hao, Jianying Huang, Wei Zhang, Yuekun Lai, and Zhiqun Lin, Adv. Mater., 33: 2004577 (2021); https://doi.org/10.1002/adma.202004577
  4. Gaofeng Shao, Dorian A. H. Hanaor, Jun Wang, Delf Kober, Shuang Li, Xifan Wang, Xiaodong Shen, Maged F. Bekheet, and Aleksander Gurlo, ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, Iss. 41: 46045 (2020); https://doi.org/10.1021/acsami.0c12376
  5. Gabriela Mera, Alexandra Navrotsky, Sabyasachi Sen, Hans-Joachim Kleebe, and Ralf Riedel, J. Mater. Chem. A, 1: 3826 (2013); https://doi.org/10.1039/c2ta00727d
  6. Monika Wilamowska-Zawlocka, Paweł Puczkarski, Zofia Grabowska, Jan Kaspar, Magdalena Graczyk-Zajac, Ralf Riedel, and Gian D. Soraru, RSC Adv., 6: 104597 (2016); https://doi.org/10.1039/C6RA24539K
  7. V. S. Pradeep, D. G. Ayana, M. Graczyk-Zajac, G. D. Soraru, and R. Riedel, Electrochim. Acta, 157: 41 (2015); https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.01.088
  8. Wuqi Guo, Oyku Icin, Cekdar Vakifahmetoglu, Delf Kober, Aleksander Gurlo, and Maged F. Bekheet, Adv. Funct. Mater., 33: 2304933 (2023); https://doi.org/10.1002/adfm.202304933
  9. Cheng Shi, Hui Huang, Yang Xia, Jiage Yu, Ruyi Fang, Chu Liang, Jun Zhang, Yongping Gan, and Wenkui Zhang, Chemistry, 25, Iss. 32: 7719 (2019); https://doi.org/10.1002/chem.201900786
  10. Kostiantyn Kravchyk, Loredana Protesescu, Maryna I. Bodnarchuk, Frank Krumeich, Maksym Yarema, Marc Walter, Christoph Guntlin, and Maksym V. Kovalenko, J. Am. Chem. Soc., 135, Iss. 11: 4199 (2013); https://doi.org/10.1021/ja312604r
  11. Joseph Gonzalez, Ke Sun, Meng Huang, Shen Dillon, Ioannis Chasiotis, and John Lambros, J. Power Sources, 285: 205 (2015); https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.03.093
  12. Jun Wang, Delf Kober, Gaofeng Shao, Jan Dirk Epping, Oliver Gurke, Shuang Li, Aleksander Gurlo, and Maged F. Bekheet, Mater. Today Energy, 26: 100989 (2022); https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.100989
  13. Romain J.-C. Dubey, Pradeep Vallachira Warriam Sasikumar, Frank Krumeich, Gurdial Blugan, Jakob Kuebler, Kostiantyn V. Kravchyk, Thomas Graule, and Maksym V. Kovalenko, Adv. Sci., 6, Iss. 19: 1901220 (2019); https://doi.org/10.1002/advs.201901220
  14. Jan Kaspar, Caglar Terzioglu, Emanuel Ionescu, Magdalena Graczyk-Zajac, Stefania Hapis, Hans-Joachim Kleebe, and Ralf Riedel, Adv. Funct. Mater., 24: 4097 (2014); https://doi.org/10.1002/adfm.201303828
  15. Duck Hyun Youn, Adam Heller, and C. Buddie Mullins, Chem. Mater., 28, Iss. 5: 1343 (2016); https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5b04282
  16. Waqas Nazeer, Adeel Farooq, Muhammad Younas, Mobeen Munir, and Shin Min Kang, Biomolecules, 8, Iss. 3:92 (2018); https://doi.org/10.3390/biom8030092
  17. Jiuzhou Zhao, Zhenjun Li, Matthew Thomas Cole, Aiwei Wang, Xiangdong Guo, Xinchuan Liu, Wei Lyu, Hanchao Teng, Yunpeng Qu, Guanjiang Liu, Ke Chen, Shenghan Zhou, Jianfeng Xiao, Yi Li, Chi Li, and Qing Dai, Nanomaterials, 11, Iss. 12: 3244 (2021); https://doi.org/10.3390/nano11123244
  18. Yaling Rong, Yali Cao, Nana Guo, Yizhao Li, Wei Jia, and Dianzeng Jia, Electrochimica Acta, 222: 1691 (2016); https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.11.160
  19. Nuttapon Yodsin, Hiroki Sakagami, Taro Udagawa, Takayoshi Ishimoto, Siriporn Jungsuttiwong, Masanori Tachikawa, Molecular Catalysis, 504: 111486 (2021); https://doi.org/10.1016/j.mcat.2021.111486
  20. Hayam Osman Taha, Atef M. El Mahdy, Fatma El Sayed El Shemy, and Mohammed Mohammed Hassan, International Journal of Qantum Chemistry, 123, Iss. 3: e27023 (2023); https://doi.org/10.1002/qua.27023
  21. Tao Wei, Yanyan Zhou, Cheng Sun, Xingtong Guo, Shoudong Xu, Daifen Chen and Yongfu Tang, Nano Res., 17: 2763 (2024); https://doi.org/10.1007/s12274-023-6187-8
  22. F. Mollaamin and M. Monajjemi, Russ. J. Phys. Chem. B, 18: 607 (2024); https://doi.org/10.1134/S1990793124020271
  23. F. Mollaamin, S. Shahriari, and M. Monajjemi, Russ. J. Phys. Chem. B, 18:398 (2024); https://doi.org/10.1134/S199079312402026X
  24. F. Mollaamin, Russ. J. Phys. Chem. B, 18: 805 (2024); https://doi.org/10.1134/S1990793124700131
  25. Haiying Che, Jing Liu, Hong Wang, Xiaoping Wang, Sheng S. Zhang, Xiao-Zhen Liao, and Zi-Feng Ma, Electrochemistry Communications, 83: 20 (2017); https://doi.org/10.1016/j.elecom.2017.08.012
  26. Longli Ma, Jian Tan, Yuan Wang, Zhu Liu, Yifan Yang, Tia Gray, Xiang Zhang, Mingxin Ye, and Jianfeng Shen, Advanced Energy Materials, 13, Iss. 25: 2300042 (2023); https://doi.org/10.1002/aenm.202300042
  27. Shuailiang Xu, Mingqiang Li, Haochen Weng, and Jingwen Li, Inorganic Chemistry Communications, 172: 113783 (2025); https://doi.org/10.1016/j.inoche.2024.113783
  28. Bin-Wei Zhang, Long Ren, Yun-Xiao Wang, Xun Xu, Yi Du, and Shi-Xue Dou, Interdisciplinary Materials, 1, Iss. 3: 354 (2022); https://doi.org/10.1002/idm2.12042
  29. G. Henkelman, A. Arnaldsson, and H. Jónsson, Computational Materials Science, 36, Iss. 3: 354 (2006).
  30. M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb et al., Gaussian 16, Revision C.01 (Wallingford CT.: Gaussian, Inc.: 2016).
  31. Gauss View, Version 6.06.16, Dennington, Roy; Keith, Todd A.; Millam, John M. Semichem Inc., Shawnee Mission, KS, 2016.
  32. Zihan Xu, Chenglong Qin, Yushu Yu, Gang Jiang, and Liang Zhao, AIP Advances, 14: 055114 (2024); https://doi.org/10.1063/5.0208082
  33. Fatemeh Mollaamin and Majid Monajjemi, New Materials, Compounds and Applications, 8, No. 3: 303 (2024); https://doi.org/10.62476/nmca83303
  34. Tian Lu and Feiwu Chen, J. Comput. Chem., 33, Iss. 5: 580 (2012); https://doi.org/10.1002/jcc.22885
  35. Tian Lu, J. Chem. Phys., 161: 082503 (2024); https://doi.org/10.1063/5.0216272
  36. Chérif F. Matta, Paul W. Ayers, and Ronald Cook, The Physics of Electron Localization and Delocalization. In: Electron Localization-Delocalization Matrices. Lecture Notes in Chemistry (Cham: Springer: 2024), vol. 112, p. 7-12; https://doi.org/10.1007/978-3-031-51434-0_2
  37. Richard F. W. Bader, Theor. Chem. Accounts: Theory, Comput., Modeling, 105: 276 (2001); https://doi.org/10.1007/s002140000233
  38. A. D. Becke and K. E. Edgecombe, J. Chem. Phys., 92: 5397 (1990); https://doi.org/10.1063/1.458517
  39. Andreas Savin, Ove Jepsen, Jürgen Flad, Ole Krogh Andersen, Heinzwerner Preuss, and Hans Georg von Schnering, Angewandte Chemie Int. Edition English, 31, Iss. 2: 187 (1992); https://doi.org/10.1002/anie.199201871