Atomik simulasyonlar kullanılarak MOF-5 katkılı poli (etilen oksit) nanokompozit elektrolitlerin iyonik iletkenliğinin incelenmesi
An atomic scale simulation investigation of ionic conductivity properties of MOF-5 doped poly (ethylene oxide) nanocomposite electrolytes
Yazar: MURAT ÖZLEK
Danışman: DOÇ. DR. ENGİN BURGAZ
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Polimer elektrolitler eşsiz özelliklerinden dolayı enerji depolama uygulamalarında sıkça kullanılmaktadır. Ancak saf halde sahip oldukları iyonik iletkenlik değerleri oldukça düşüktür (10-6 S/cm). Bu sebepten ötürü çeşitli malzemeler ile katkılamalar yapılarak düşük iyonik iletkenlik değerlerinin geliştirilmesi yapılmaktadır. Bu çalışmada metal organik kafes yapısı (MOF) türlerinden olan MOF-5 kullanılarak poli (etilen oksit) (PEO) ve lityum bis(trifloromethilsulfonil)imid (LiTFSI) tuz ilave edilerek bir simülasyon çalışması yapılmıştır. Simülasyon çalışmasında atomik boyutta poli(etilen oksit), LiTFSI ve MOF-5 etkileşimlerinin çeşitli oranlarda mol bazlı karışımları (%10, %15, %20 LiTFSI ve %5, %10 MOF5) Materials Studio 7.0 programı kullanılarak yapılmıştır. Modelize edilen sistemlere forcite modülü ile Universal kuvvet alanı temelli geometri optimizasyonu uygulanarak yapının entalpi değerleri düşürülmüştür bu da yapıyı daha gerçekçi ve stabil hale getirerek forcite dinamik alt modülünde 298 K, 318 K, 308 K, 328 K, 338 K, 348 K ve 358 K sıcaklık değerlerinde işlem yapmaya uygun hale getirmiştir. Ardından dinamik alt modülü ile elde edilen sonuçlara kare ortalama yer değişimi (MSD) kullanılarak difüzyon katsayısı her bir sıcaklık ve karışım oranı için elde edilmiştir. Difüzyon katsayısı hesaplanırken kare ortalama yer değişimi grafiğinin eğimi baz alınarak hesaplanmaktadır. Sonrasında Nernst-Einstein denklemi kullanılarak iyonik iletkenlik hesabı kare ortalama yer değişimi grafiklerinin eğimine bağlı olan difüzyon katsayısı ile farklı sıcaklık değerlerinde incelenerek yapının oran değişimlerine ve sıcaklık değişimlerine bağlı olarak iyonik iletkenliği Nernst–Einstein denklemi kullanılarak hesaplanmıştır. Kare ortalama yer değişimi grafikleri iyonik akışı sağlayarak iyon iletkenliği doğrudan etkileyen Li+ katyonlarının akışı baz alınarak oluşturulmuştur. Li+ katyonlarının yapıda serbest akışı TFSI- anyonlarından ne kadar uzakta olduğu ve polimer zincirleri içerisinde ne kadar rahat hareket ettiğine bağlı olarak kare ortalama yer değişimi grafiğinin eğimini etkilemektedir. Simülasyonun doğruluğu için elde edilen sonuçlarda difüzyon katsayısı ve sıcaklık grafiği kıyaslaması yapılmıştır. Literatürdeki genel difüzyon katsayısı ve sıcaklık değişimi grafiklerine uygunluğu kontrol edilmiştir.

Abstract:
Polymer electrolytes have unique properties for that reason they usually utilize in energy storage applications. However, their pure ionic conductivity values are quite low (10-6 S/cm). For this reason, low ionic conductivity values are improved by making additives with various materials. In this study, a simulation study was performed by adding poly (ethylene oxide) (PEO) and lithium bis (trifluoromithylsulfonyl) imide (LiTFSI) salt by using MOF-5 which is one of the metal organic lattice structure (MOF) species. In this study, we used Metal Organic Framework(MOF-5), poly(ethylene oxide)(PEO), Lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (LiTFSI) ionic salt for synthesizing nanocomposite polymer electrolytes with different concentrations in simulation. Universal force field based geometry optimization was used for reduction of the entalpy in the system. After that Dynamics module was performed at different temperatures(298 K, 318 K, 308 K, 328 K, 338 K, 348 K and 358 K) for the calculation of Mean Square Displacement (MSD). Then, the results of MSD were used for the calculation of diffusion coefficient. For the calculation of the diffusion coefficient, MSD graphics slopes were used. Then, the ionic conductivity calculations were obtained by using Nernst-Einstein equation. Mean square displacement charts are based on the flow of Li + cations that directly influence ion conduction by providing ionic flow. The free flow of Li + cations in the structure influences the inclination of the mean square displacement graph depending on how far away from the TFSI anions and how well they move within the polymer chains. For the accuracy of the simulation, diffusion coefficient and temperature graph were compared. The general diffusion coefficient and temperature variation graphs in the literature were checked for their suitability.