Doping Effect on the Anode Material Capability of 2d Bn Nanosheets

Abstract

In this thesis, the potential of BNN surfaces doped with Al, Cl, Co, Fe, Ga, O, P, and S atoms as anode materials in K, Li, Mg, and Na ion batteries was investigated. Semi-empirical tight-binding combined with meta-dynamics methods and density functional theory were utilized to discover these properties. The effects of doping atoms on the electronic structure and geometry of BNN surfaces were also studied. Changes in the electronic structure and conductivity were reported by examining the HOMO-LUMO orbitals and the energy differences between these orbitals. Using previously reported experimental data and examining similar studies from the literature, the atoms to be doped were chosen. While vacancies at the sites of boron atoms in single-layer boron-nitride nanosheets were observed, vacancies formed by nitrogen atoms were not observed, indicating that boron vacancies are much more likely for the doping position. So that doping was performed on the boron atom. The level of quantum calculations used in this work was validated using experimental data. B3LYP/def2-SVP/D4/gCP level of theory is used for all calculations for BNN-nanosheets studied in this thesis. The bond lengths and the HOMO-LUMO energy difference were found to be nearly the same as the experimental data. The conductivity of the BNN surface was increased with the doping process. However, significant improvements are followed by doping of cobalt, iron, and sulfur atoms with 35%, 34%, and 26% alteration, respectively. For a suitable battery manufacture, the potential anode material should offer structures with high theoretical specific capacity, low anode electrode voltage, and minimal volume change between charged/discharged states. It was observed that none of the doped-BNN surfaces involved in this study were suitable for the use of anode material in magnesium ion batteries. On the other hand, they can be used as a negative electrode for potassium, lithium, and sodium batteries. Their capacity in lithium is better than Na and K batteries. Our results suggest that most of the doped BNN surface with ions studied in this thesis could be used as anode materials. However, none of them owns a better battery capacity than classic lithium batteries.

Bu tezde, Al, Cl, Co, Fe, Ga, O, P, S atomları ile katkılandırılmış (doped) edilmiş BNN yüzeylerinin K, Li, Mg, Na iyon bataryalarında anot materyal olarak kullanılma potansiyeli incelenmiştir. Bu özellikleri keşfetmek için yarı deneysel sıkı bağlama yöntemleri ile meta-dinamik yöntemler ve yoğunluk fonksiyonel teorisi kullanılmıştır. Katkılanan atomlarının BNN yüzeylerinin elektronik yapısı ve geometrisi üzerindeki etkileri de incelenmiştir. Elektronik yapıdaki ve iletkenlikteki değişimleri, HOMO-LUMO orbitalleri ve bu orbitaller arasındaki enerji farklılıkları inceleyerek raporlanmıştır. Daha önce raporlanmış deneysel veriler kullanılarak ve literatürde benzer çalışmalar incelenerek katkılanacak atomlar seçilmiştir. Tek katmanlı bor-nitrit nano-tabakalarda boron atomlarının olduğu noktalarda boşluklar gözlemlenebilirken, nitrojen atomlarının oluşturduğu boşluklar gözlemlenmemiştir. Bu durum, doping pozisyonu için boron boşluklarının çok daha olası olduğunu göstermektedir. Bu nedenle doping, boron atomu üzerinde gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada kullanılan kuantum hesaplamaların seviyesi deneysel veriler kullanılarak doğrulanmıştır. BNN-nano-tabakalar için tüm hesaplamalarda B3LYP/def2-SVP/D4/gCP teori seviyesi kullanılmıştır. Bağ uzunlukları ve HOMO-LUMO enerji farkı, deneysel verilerle neredeyse aynı bulunmuştur. BNN yüzeyinin iletkenliği doping işlemi ile artırılmıştır. Ancak, kobalt, demir ve sülfür atomlarıyla katkılama sırasıyla %35, %34 ve %26'lık önemli iyileştirmeler sağlamıştır. Uygun bir pil üretimi için, anot materyalin yüksek teorik spesifik kapasiteye, düşük anot elektrot voltajına ve yüklü/yüksüz durumlar arasında minimal hacim değişimine sahip olmalıdır. Hiçbir katkılı-BNN yüzeyinin magnezyum iyon pillerinde kullanılmak için uygun olmadığı gözlemlenmiştir. Öte yandan, potasyum pilleri, lityum ve sodyum pillerine benzer performans göstermiş olmasına rağmen lityum piller en iyi performansı sergilemiştir. Sonuçlarımız, bu tezde incelenen iyonlarla katkılanmış çoğu BNN yüzeyinin anot materyali olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Ancak, hiçbiri klasik lityum pillerinden daha iyi bir pil kapasitesine sahip değildir.