КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 24-79-00242
НазваниеНанокомпозитные материалы на основе борофена и борных нанотрубок в металл-ионных аккумуляторах: пилотные исследования методом SCC DFTB
Руководитель Колосов Дмитрий Андреевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" , Саратовская обл
Конкурс №97 - Конкурс 2024 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-406 - Энергосбережение при передаче и потреблении энергии
Ключевые слова Одностенные/многостенные борные нанотрубки, борофен, атомистическое моделирование, теория функционала плотности в приближении сильной связи, формализм Ландауэра-Буттикера, анализ заселенностей орбиталей по Малликену, трансфер заряда, электропроводность, диффузионный барьер, миграция ионов щелочных металлов, удельная Фарадеевская ёмкость, анодный материал, металл-ионные аккумуляторы
Код ГРНТИ44.29.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Данный проект направлен на решение проблемы поиска новых материалов для создания электродов с улучшенными электрофизическими и электрохимическими характеристиками в металл-ионных аккумуляторах. Конкретной задачей проекта является исследование перспектив применения одностенных и многостенных борных нанотрубок (ОБНТ и МБНТ), полученных путем сворачивания листа борофена различных топологических типов (триангулированный, β12, χ3 и графеноподобный), и композитных тонких пленок на основе борофена и ОБНТ с вертикальным и горизонтальным расположением нанотрубок в качестве анодного материала в металл-ионных аккумуляторах. Для решения поставленной задачи будет применяться междисциплинарный научный подход на стыке теории конденсированного состояния, квантовой химии, теории квантового транспорта и физики твердого тела, что указывает на комплексный характер решаемой задачи.
В рамках решаемой научной задачи будут выполнены следующие работы:
1) Создание нового набора параметров SCC DFTB для атомов бора и атомов щелочных металлов (лития, натрия, магния и алюминия), корректно учитывающего длины связей атомов, перенос заряда и постоянную решетки для соединений бора, а также соединений бора с щелочными металлами.
2) Поиск равновесных атомных конфигураций ОБНТ/МБНТ и композитных пленок борофен/ОБНТ/МБНТ с вертикальной и горизонтальной ориентацией трубок, характеризующихся высокой электропроводностью и термодинамической устойчивостью.
3) Выявление закономерностей электронного строения исследуемых ОБНТ/МБНТ и композитных пленок борофен/ОБНТ/МБНТ, анализ электронной заселенности орбиталей по Малликену по атомам супер-ячейки с учетом локальной сшивки борной трубки и монослоев борофена, анализ механизмов токопереноса и электропроводности в ОБНТ/МБНТ и композитных пленках борофен/ОБНТ/МБНТ.
4) Поиск оптимальных способов настройки электрофизических параметров исследуемых композитных пленок борофен/ОБНТ/МБНТ за счет комбинации различных фаз борофена в составе супер-ячейки композитной пленки.
5) Выявление особенностей миграции ионов, диффузионных барьеров, электрохимической активности и электрофизических параметров ОБНТ/МБНТ и композитов на их основе при взаимодействии с ионами металла.
6) Выявление условий образования металлических кристаллов на поверхности ОБНТ/МБНТ и композитных пленок.
Научная новизна исследования обусловлена:
a) Новизной выдвигаемой идеи использования в качестве анодного материала в металл-ионных аккумуляторах борных нанотрубок и композитов на их основе с выявленными для них структурными конфигурациями, характеризующими оптимальными электрофизическими и электрохимическими свойствами.
б) Выбором объекта исследования. Впервые планируется рассмотреть возможность построения на основе 1D борных нанотрубок и 2D листов борофена термодинамически устойчивых композитных структур и дать предварительную оценку их структурных, электронно-энергетических, электрофизических и электрохимических свойств.
в) Использованием для проведения исследований междисциплинарного подхода, подразумевающего сочетание методов квантовой химии, физики твердого тела, квантовой механики и молекулярной динамики.
Актуальность решения обозначенной проблемы определяется стремительным развитием в последнее десятилетие портативной электроники, в том числе нательной электроники, дистанционной авиации (дроны, квадрокоптеры и т.д.), а также электротранспорта (электромобили, электробусы и т.д.), и как следствие, растущими потребностями в миниатюрных источниках питания подобных устройств. Стремление к повышению эффективности и автономности таких устройств во многом ограничены питающей их аккумуляторной литий-ионной батареи. Большое разнообразие современных 1D и 2D-структур с многообещающими электронными и ёмкостными свойствами, в том числе бор-содержащих наноструктур, которые открывают широкие возможности для разработки на их основе металл-ионных аккумуляторов нового поколения с улучшенными характеристиками.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1) Создан новый набор параметров метода SCC DFTB для атомов: B, Li, Na, Mg, Al, O, N, C, H в виде файлов-таблиц Слэйтера-Костера с использованием итеративного алгоритма подбора отталкивательного потенциала. Для электронной части параметризации получены оптимальные параметры полиноминального потенциала ограничения. Для отталкивательной части параметризации получены потенциалы отталкивания, учитывающие особенности кристаллической решетки борофенов. С помощью разработанной параметризации получены атомистические модели одностенных и двустенных борных нанотрубок типов «зигзаг» и «кресло», составленные из триангулированного борофена, борофена β12, χ3 и графеноподобного борофена путем скручивания монослоев. Для полученных атомистических моделей борных нанотрубок установлены наиболее энергетически выгодные конфигурации. С использованием метода квантовой молекулярной динамики проведен анализ термодинамической устойчивости при температурах 240 K, 300 К и 370 К. Установлено, что в присутствии смеси газов O2, N2, CO2 и паров H2O молекулярный кислород активно взаимодействует с поверхностью борной нанотрубки образуя ковалентные связи.
2) Выявлены закономерности электронного строения борных нанотрубок типов «зигзаг» и «кресло». Все рассмотренные атомистические модели борных нанотрубок имеют металлический тип проводимости с отсутствием запрещенной зоны. Обнаружены существенные различия в структуре электронных зон в зависимости от типа исходного борофена, использованного для формирования нанотрубки. Электронные зоны пересекают уровень Ферми в нескольких точках в пространстве волновых векторов и имеют параболическую форму. Установлено, что атомы суперъячейки борных нанотрубок имеют локальные области с разностью заряда на атомах ~|0.03е|, для всех рассмотренных МБНТ нанотрубка большего диаметра приобрела отрицательный заряд ~0.1е. Установлено, что с увеличением диаметра нанотрубок повышается их электропроводность. Минимальная величина электрического сопротивления, равная 94.4 Ом, наблюдается у триангулированной двуслойной нанотрубки типа «зигзаг».
3) Установлено, что энергия адсорбции превышает величину энергии когезии атомов Li, Na и Mg предотвращая образование металлических кристаллов на поверхности борных нанотрубок. Cреднее напряжение холостого хода двуслойной нанотрубки χ3 типа «зигзаг» с атомами магния составляет 0.224 В с удельной теоретической емкостью 1239.6 мАч/г. Выявлены пути миграции ионов щелочных металлов с минимальным диффузионным барьером. Минимальный энергетический барьер миграции ионов для триангулированной нанотрубки типа «зигзаг» достигается при движении ионов вдоль осевого желоба. Для нанотруок χ3 типа «зигзаг» и β12 кресельного типа путь миграции с минимальным энергетическим барьером соответствует направлению вдоль гексагонального канала, образованного шестью атомами бора. Установлено, что величина диффузионного барьера в межслойном пространстве двуслойной нанотрубки превышает энергетический барьер на поверхности верхнего слоя.
4) Выявлены закономерности миграции ионов при насыщении борных нанотрубок ионами щелочных металлов. Установлено существенное повышение диффузионного барьера для ионов магния на поверхности триагнулированной нанотрубки типа «зигзаг» в случае полного заполнения вакантных мест ионами. Выявлены величины изменения полной энергии, векторов трансляции решетки и длин связи при многократных циклах интеркаляции атомов Li, Na и Mg.
Публикации
1.
Колосов Д.А., Глухова О.Е.
Single-walled and multi-walled boron nanotubes: Novel DFTB parameterization and electrical conductivity calculations
Solid State Communications, Vol. 403, pp. 115984 (год публикации - 2025)
10.1016/j.ssc.2025.115984
2. Колосов Д.А., Глухова О.Е. Новая параметризация SCC DFTB для бора и натрия: исследование электронного транспорта допированных натрием борных нанотрубок НБИ технологии (год публикации - 2025)