Lityum tabanlı pillerin katot malzemelerinin elektronik yapı hesabı
Electronic structure calculation of cathode materials of lithium based batteries
- Tez No: 995641
- Danışmanlar: PROF. DR. SELMA ERAT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Mersin Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Avrupa Yeşil Mutabakatı'nın 2050 net sıfır emisyon hedefi ve otomotiv sektöründe 2035'e kadar sıfır emisyon beklentisi, enerji depolama teknolojilerinin hızla geliştirilmesini zorunlu kılmakta ve lityum-iyon bataryalarda kullanılan elektrot malzemelerinin elektronik yapı ve bozulma mekanizmalarının çok yönlü analizini kritik hâle getirmektedir. Bu bağlamda, operando ölçümler ve gelişmiş elektronik yapı hesaplamaları gibi ileri karakterizasyon yöntemleri, hem TOGG gibi yeni nesil elektrikli araç uygulamalarını destekleyen batarya tasarımlarının optimize edilmesine hem de uzun ömürlü ve yüksek performanslı enerji depolama çözümlerinin geliştirilmesine temel oluşturmaktadır. Bu tezde LiNiO₂, LiMnO₂, LiCoO₂ ve farklı kompozisyonlardaki LiNi1-x-yMnxCoyO₂ (NMC) katot malzemelerinin elektronik yapıları yoğunluk fonksiyoneli teorisi (DFT) kapsamında Quantum ESPRESSO (QE) programı kullanılarak incelenmiştir. Standart DFT hesaplamalarında bu malzemelerin metalik karakterde görünmesi, ancak deneysel çalışmaların yarı iletken davranış rapor etmesi nedeniyle hesaplamalar DFT+U yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Geçiş metalleri için yapılan U optimizasyonu sonucunda Ni için U = 5.6 eV, Mn için U = 2.8 eV ve Co için U = 2.5 eV değerleri en uygun parametreler olarak belirlenmiştir. Aynı U değerleri daha sonra NMC433, NMC523, NMC532 ve NMC622 için kullanılmıştır. U optimizasyonunun ardından LiNiO2 yapısı temel alınarak 5×2×1 genişletilerek süperhücre oluşturulmuş ve NMC malzemeler istenilen Ni–Mn–Co oranları ile modellenmiştir. Bant yapısı, toplam durum yoğunluğu (DOS) ve kısmi durum yoğunluğu (PDOS) analizleri, Ni içeriği arttıkça Ni 3d bantlarının Fermi seviyesi yakınında yoğunlaştığını; buna karşılık Mn ve Co bantlarının enerji seviyelerinde daha kararlı kaldığını göstermiştir. Bu durum, Ni zengini NMC sistemlerinde elektronik yapıyı belirleyen temel faktörün Ni 3d bant yapısı olduğunu, Mn ve Co'nun ise daha çok yapısal kararlılığa katkı sunduğunu ortaya koymuştur. DFT+U ile elde edilen bant yapıları, LiNiO2 ve Ni-zengin NMC serisinde yarı-metal benzeri davranışa geçildiğini göstermiştir. Teorik K-edge hesaplamaları, elde edilen PDOS sonuçlarıyla uyumlu olacak şekilde, Ni K edge için enerji kaymasının Ni 3d bant doluluğuna duyarlı olduğunu ve Ni içeriği arttıkça kenar pozisyonunun daha yüksek enerjilere kaydığını ortaya koymuştur. Mn ve Co K-kenarları ise PDOS analizlerinde gözlenen kararlı bant konumlarıyla uyumlu şekilde daha sınırlı değişim göstermiştir. Bu sonuçlar, NMC malzemelerinde başlıca oksidasyon eğiliminin Ni merkezli olduğunu teorik olarak doğrulamaktadır.
Özet (Çeviri)
The European Green Deal's target of achieving net-zero emissions by 2050, coupled with the expectation of zero emissions in the automotive sector by 2035, necessitates the rapid development of energy storage technologies. This makes a multifaceted analysis of the electronic structure and degradation mechanisms of electrode materials used in lithium-ion batteries critical. In this context, advanced characterisation methods such as operando measurements and sophisticated electronic structure calculations are key to optimising battery designs for new-generation electric vehicle applications, such as TOGG, and developing long-lasting, high-performance energy storage solutions. This thesis investigates the electronic structures of LiNiO₂, LiMnO₂, LiCoO₂ and LiNi1-x-yMnxCoyO₂ (NMC) cathode materials with different compositions using the Quantum ESPRESSO (QE) program within the framework of density functional theory (DFT). As standard DFT calculations indicated that these materials were metallic, but experimental studies reported semiconducting behaviour, calculations were performed using the DFT+U method. Optimisation of U for transition metals resulted in U = 5.6 eV for Ni, U = 2.8 eV for Mn and U = 2.5 eV for Co as the most suitable parameters. These values were then applied to NMC433, NMC523, NMC532 and NMC622. Following U optimisation, a 5×2×1 extended supercell based on the LiNiO2 structure was created, and the NMC materials were modelled with the desired Ni–Mn–Co ratios. Band structure, total density of states (DOS) and partial density of states (PDOS) analyses revealed that, as the Ni content increased, the Ni 3d bands became more concentrated near the Fermi level. In contrast, the Mn and Co bands remained stable in their energy levels. This situation revealed that the fundamental factor determining the electronic structure of NMC systems is the Ni 3d band structure, whereas Mn and Co contribute more to structural stability. Band structures obtained using DFT+U showed semi-metal-like behaviour in the LiNiO2 and Ni-rich NMC phases. Consistent with the obtained PDOS results, theoretical K-edge calculations revealed that the energy shift for the Ni K edge is sensitive to the Ni 3d band filling, with the edge position shifting to higher energies as the Ni content increases. In contrast, the Mn and Co K-edges showed more limited changes, consistent with the stable band positions observed in the PDOS analyses. These results theoretically confirm that the primary oxidation tendency in NMC materials is Ni-centred.
Benzer Tezler
- Enerji depolama için grafen tabanlı üç boyutlu elektrot malzeme uygulamaları
Graphene-based three-dimensional electrode material applications for energy storage
DENİZ KURUAHMET
Doktora
Türkçe
2023
EnerjiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET OĞUZ GÜLER
- Biyokütleden elde edilmiş karbon tabanlı elektrotların sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of carbon-based electrodes derived from biomass
SÜMEYYE ÇİÇEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET OĞUZ GÜLER
- Development of novel borate-based positive electrode materials for rechargeable lithium batteries
Şarj edilebilir lityum piller için yeni borat tabanlı pozitif elektrot malzemelerinin geliştirilmesi
SEMİH AFYON
Doktora
İngilizce
2013
EnerjiEıdgenossısche Technısche Hochschule Zurıch (eth)Kimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. REİNHARD NESPER
- Atık lityum iyon pillerdeki değerli metallerin derin ötektik çözelti kullanılarak kapalı kap mikrodalga liç prosesi ile geri kazanımı
Recovery of valuable metals from waste lithium-ion batteries using deep eutectic solvent via closed-vessel microwave leaching process
EMİNE GİZEM YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HASAN ALGÜL
- Graphene based materials obtained from graphite and polyacrylonitrile based carbon fiber for energy storage and conversion systems
Enerji depolama ve dönüşüm sistemleri için grafit ve poliakrilonitril esaslı karbon fiberden grafen tabanlı malzemelerin üretilmesi
MEHMET GİRAY ERSÖZOĞLU
Doktora
İngilizce
2022
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
PROF. DR. YÜCEL ŞAHİN