Estimating diffusion coefficients of Li+ in LCO using Molecular Dynamics Simulations

Abstract

Utviklingen av fornybar energi og utnyttelsen av fornybare energikilder er et viktig steg mot å løse dagens klimakrise. En av de største ulempene ved bruk av fornybar energi er tilgjengeligheten, da kilder som sol og vind kan variere utfra tid på døgnet og årstid. Energilagring kan bistå i å minke effekten av disse variasjonene da man kan lagre energien når kildene er i overskudd, og ta den i bruk igjen når kildene er i underskudd. En av de mest attraktive tilbudene for energilagring er faststoffs batterier hvor litium-ion batterier er et av de mest utforskede teknologiene. Litium er derimot et ganske sjeldent metall, og natrium-ion batterier kan være et mulig alternativ, da natrium er et av de vanligste materialene på jorda.

Det å endre ladningsbærer fra litium til natrium vil kreve forskning på nye katodematerialer. En av de viktigste egenskapene ved en katode er diffusjonen til ladningsbæreren gjennom materialet, noe som kan estimeres ved bruk av molekylærdynamikk simuleringer. Molekylærdynamikk simuleringer har blitt vist til å kunne forutsi diffusjon av ladningsbærere med en størrelesesorden som stemmer over ens med eksperimentelle resultater. I denne masteroppgaven har en metode for å utføre molekylærdynamikk simuleringer på ladnignsbærere blitt uviklet og evaluert.

Utviklingen av metoden starter med et ekstensivt literatursøk i tillegg til et forskningsbesøk ved Applied Thermodynamics And Molecular Simulations gruppen ved det Federale Universitetet i Rio De Janeiro. Gjennom dette literatursøket og gode diskusjoner med forskningsmiljøet hos UFRJ så har alle valgene som tas gjennom en simuleringsprosess blitt kartlagt. Disse ble introdusert som faktorer i et faktorielt ekseperimentelt design. Det ble bestemt å bruke LiCoO2 til å evaluere metoden, da det finnes store mengder eksperimentell data tilgjengelig for dette materialet. Totalt 14 valg (faktorer) ble kartlagt, men om et fullt faktorielt design skulle blitt brukt så hadde det gitt 16384 diffusjonskoeffisienter å regne ut. Det ble derfor bstemt å holde en del av faktorene konstant, med stor fokus på å begrense variasjon i faktorene som ble endret før simuleringen for å spare datakraft.

Simuleringsboksene ble bygd med engten Ovito eller Vesta ved tre forskjellige konsentrasjoner av litium. Kraftfeltet som ble bruk var universal force field og simuleringene ble utført med GROMACS ved 298 K. Diffusjonskoeffisientene ble beregnet med to ulike algoritmer, en basert på tidssteg inkrementering, og en basert på FFT både parallelt med lagene i LiCoO2 og gjennom lagene. Totalt 80 diffusjonskoeffisienter ble beregnet, og av alle faktorene var valget av MSD algoritme og retning de viktigste. Et par av interaksjonseffektene viste også tegn til å være signifikante, men ingen av de var i nærheten av like viktig som de to nevnte. Resultatene ble også sammenlignet med eksperimentell data og ga resultater i den samme størrelsesordenen.

The development of renewable energy, and better utilization of renewable energy sources is a crucial step in solving the current climate crisis. One of the main drawbacks of using renewable energy as of today is the fluctuation in its availability as solar and wind energy will vary depending on the time of day as well as time of year. Energy storage can help compensate this as it allows for storing of energy when more electrical energy than needed is produced, so that it can be used for later when production is lower than the amount required. Out of the available energy storage technologies, one of the most attractive options are solid state batteries. Lithium ion batteries are one of the most researched alternatives within this field, however they have one key weakness, lithium being a fairly rare metal. Sodium ion batteries on the other hand could be a suitable alternative as sodium is a material abundant in the earths crust.

Changing the charge carrier from lithium to sodium will also give new cathode materials that will have to be studied. One of the key properties of a cathode is the diffusion of the charge carrier throughout the material, a property that molecular dynamics simulations is capable of estimating. Molecular dynamics simulations has been shown to be capable of predicting the diffusion of charge carriers in cathode materials, and in this thesis a procedure for performing molecular dynamics simulations has been developed and evaluated.

The development of the procedure consisted of an extensive literature study as well as a research stay at the Applied Thermodynamics And Molecular Simulation group at UFRJ. Through this literature study as well as discussions with the staff at UFRJ all choices made when setting up a simulation was characterized, and introduced as factors in a factorial design. For evalauting the simulation results it was decided to simulat the cathode material LiCoO2 as there exists a lot of data for that material. In total 14 factors were discovered, and a full factorial of all factors discovered would have required a total of 16384 evaluations of diffusion coefficients. A selection of the factors were therefore kept constant for all simulations with an emphasis on limiting all factors pre-simulation in order to reduce the computational cost.

The simulations boxes were built using either Ovito or Vesta at three different concentrations of lithium. The force field used was the UFF and the simulations were carried out at a temperature of 298 K using GROMACS. The diffusion coefficients were calculated both using a time incrementation algorithm and a FFT based algorithm both parallel to the layers and perpendicular to the layers in LiCoO2 and in total 80 diffusion coefficients were evaluated. Out of the effects evaluated the two most important ones were the MSD algorithm chosen, as well as the direction the diffusion was evaluated in. Some of the interaction effects also showed signs of being significant, however not as large in magnitude when compared to the two large main effects. The diffusion coefficients calculated were also shown to were also be in the same order of magnitude as experimental results.