Молекулно моделиране на компоненти за пост-литиевойонни батерии

Презаредимите литиево-йонни батерии (ЛЙБ) са незаменими в съвременния свят, както в преноси-мата електроника, така и в електромобили. Въпреки превъзходните си качества, недостатъците на ЛЙБ – ниска степен на рециклиране и употреба на токсични елементи – обуславят активното тър-сене на алтернативи. Молекулното моделиране е деен помощник в подобряването на наличните и моделирането на бъдещите компоненти за пост-литиевойонни батерии. Дисертацията е насочена към моделиране на взаимодействията в електролита и в близост до електрода. Използвана е ориги-нална схема за оценка на прозореца на електрохимична стабилност (ПЕС) на разтворители за елек-тролити чрез пресмятане на абсолютния електрохимичен потенциал на окисление и редукция. Предложен е път за разширяване на ПЕС. Специален интерес представляват и процесите на грани-цата електрод-електролит. Оценена е солватацията и десолватацията на Li+, Na+ и Mg2+-клъстери с етилен карбонат в чисти и смесени електролити. Обсъдена е ролята на средата и противойона в условия на оскъдна солватация. Моделът е усложнен чрез включване на повърхност на електрод от литиев титанат, като пресметнатата енергия на десолватация е сравнена с тази, получена за сво-бодни клъстери в газова фаза и в имплицитен разтворител, за да се даде количествена оценка на ролята на повърхността. Предложеният подход може да бъде приложен и към други електролитни системи и да даде нови насоки при разработването на електролити за пост-литиевойонни батерии.
Rechargeable lithium-ion batteries (LIBs) are essential in the modern world, particularly for portable electronics and electric vehicles. Despite their excellent features, LIBs' disadvantages, such as limited recyclability and use of toxic chemicals, stimulate an active search for alternatives. Molecular modeling is powerful tool for improvement of the existing and design of future components for post-lithium-ion batteries. The thesis is focused on modeling of the interactions in the bulk electrolyte and at the electrode surface. An original scheme for assessment of the electrochemical stability window (ESW) of electrolyte solvents based on calculation of the absolute electrochemical potential of oxidation and reduction is used. A way to broaden the ESW is proposed. Of particular interest are the processes occurring at the electrode-electrolyte interface. The solvation and desolvation of Li+, Na+ and Mg2+-clusters with ethylene carbonate in pure and mixed electrolytes is quantified. The role of the medium and the counterion upon solvent depletion is discussed. The model is augmented by inclusion of explicit lithium titanate electrode surface, and the obtained desolvation energy is compared to the one of free clusters in the gas phase and in implicit solvent to assess the surface effect. The proposed approach is applicable to other electrolyte systems and can provide new directions in the development of electrolytes for post-lithium-ion batteries.