Modeling of amorphous microporous carbon and Si/C composite materials

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2023-08-22

Department

Major/Subject

Functional Materials

Mcode

CHEM3025

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

77+21

Series

Abstract

Silicon/carbon composite materials are studied to be utilized in lithium-ion batteries as negative electrode materials. In this thesis, the creation of silicon/carbon composite material by using computational chemistry was studied. This thesis aimed to study the effect of chemical vapor infiltration (CVI) in the creation of silicon/carbon composite. In this Master’s thesis, computational models of both carbon and silicon/carbon materials were generated based on experimental data. The aim was to deepen the understanding of the more accurate structure of the composite material. This work was started by creating models of the carbon material and continued by generating models of the composite material as well as the surface reactions in order to better understand the behavior of silane gas on the surface of microporous carbon material. The computer-generated carbon model corresponded to the experimental data. The composite model indicated what the more precise structure of the experimental material might be and the surface reaction tests showed that silane reacts more readily with the oxygen on the surface rather than the carbon itself, creating silicon-oxygen chains. This thesis increased information about the more precise structure of the silicon/carbon composite material and how silane gas reacts with the microporous carbon material. Further studies are needed to more accurately model the surface reactions of silane on the larger models and how it would settle in the pores of the carbon material.

Pii/hiilikomposiittimateriaaleja tutkitaan käytettäväksi litiumioniakkujen negatiivisen elektrodin materiaaleina. Tässä diplomityössä on tutkittu erään pii/hiilikomposiittimateriaalin muodostumista tietokonemallinnusta hyödyntäen. Tämän työn tarkoituksena on lisätä ymmärrystä tällaisen komposiittimateriaalin muodostumisesta silaanin kemiallista kaasufaasi-infiltraatiota (CVI) käyttäen. Diplomityössä on luotu tietokonemalleja kokeellisiin tuloksiin perustuen niin hiili- kuin pii/hiilimateriaaleista. Tavoitteena on ollut ymmärtää lopullisen komposiittimateriaalin tarkempi rakenne. Työ aloitettiin mallintamalla mikrohuokoinen hiilimateriaali niin, että se vastasi saatuja kokeellisia tuloksia. Hiilimateriaalin mallinnuksen jälkeen mallinnettiin pii/hiilikomposiittimateriaalia sekä silaanin kemiallisen kaasufaasi-infiltraation aikana tapahtuvia reaktiota, jotta ymmärrettäisiin paremmin silaanikaasun käyttäytymistä mikrohuokoisen hiilen pinnalla. Hiilimateriaalin tietokoneella luotu malli saatiin vastaamaan kokeellisia tuloksia. Komposiittimateriaalin tietokonemalli antoi viitteitä kokeellisen materiaalin tarkempaan rakenteeseen ja silaanin pintareaktiotestit osoittivat, että silaani reagoi mieluimmin pinnalla olevan hapen kanssa kuin itse hiilen kanssa luoden pii-happiketjuja. Tämä diplomityö lisäsi tietoa pii/hiilikomposiittimateriaalin rakenteesta ja miten silaanikaasu mikrohuokoisen hiilimateriaalin kanssa reagoi. Lisätutkimuksia tarvitaan, jotta saataisiin tarkemmin mallinnettua silaanin pintareaktioita isompien mallien pinnoilla ja miten se asettuisi hiilimateriaalin huokosiin.

Description

Supervisor

Karttunen, Antti

Thesis advisor

Draeger, Christoph

Keywords

litiumioniakut, hiilimalli, pii/hiilikomposiittimalli, tietokonemallinnus

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202308275182

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM