Sıvı metal yakıtlı piller için aday elektrolitlerin moleküler dinamik simülasyon yöntemi ile incelenmesi
Investigation of candidates electrolytes for liquid metal batteries from molecular dynamics simulation
Yazar: YENAL AYDIN
Danışman: PROF. DR. ÇETİN TAŞSEVEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Magnezyum = Magnesium ; Magnezyum alaşımları = Magnesium alloys ; Moleküler dinamik benzetimi = Molecular dynamic simulation ; Sıvı metaller = Liquid metals

Özet:
Fosil yakıtlara alternatif olan güneş ve rüzgar enerjisinin yanı sıra, enerji depolama, küresel enerji sorununa etkin çözümler aranmasında kilit rol oynamaktadır. Bilindiği gibi günümüzde lityum iyon piller bu alanda birçok yeni teknolojinin doğmasına yol açmıştır. Ancak yine de kısa ömür, aşırı ısınma ve verimlilik gibi çözülmesi gereken önemli sorunlar vardır. Son zamanlarda geliştirilen sıvı metal pil (LMB) teknolojisi, geleneksel Li-ion pillere alternatif arayışında umut verici bir çözüm gibi görünmektedir. Sıvı metal piller (LMBs), elektrot katmanları olarak magnezyum ve antimonun karışmaz sıvı hallerini ve orta katmanda iyonik olarak iletken elektrolit olarak erimiş tuzu içerir. Düşük termal iletkenliğe sahip yüksek performanslı bir termoelektrik malzeme olarak potansiyel teknolojik ve endüstriyel uygulamaları nedeniyle Magnezyum pniktidler Mg_3 X_2 (X=N,P,As,Sb,Bi), sıvı metal pillerin bir bileşeni olarak potansiyel adaylar olabilir. Teknolojik ve endüstriyel önemlerine rağmen, magnezyum piniktidlerin temel özellikleri literatürde çok az çalışılmıştır. Bu tez çalışmasında, Magnezyum nitrür Mg_3 N_2 ve Magnezyum fosfit Mg_3 P_2'nin yapısal, termal ve iyonik taşınım özelliklerini geniş bir sıcaklık aralığında katı ve sıvı fazda klasik bilgisayar simülasyon yöntemi ile sistematik olarak araştırdık. Bunu yapmak için, ilk önce katı ve sıvı fazlarda interiyonik etkileşimleri modellemede her sistem için yeni yarı deneysel potansiyel geliştirdik. Bu çalışma, malzemelerin katı ve sıvı formlarına dayalı uygulamalar alanında fonksiyonel malzemelerin araştırılmasında termofiziksel özelliklerin ayarlanması için faydalı olacaktır. Ayrıca sonuçlar, yapısal, termal ve iyonik difüzyon hakkındaki bilgilerimizi genişletirken, gelecekte yapılacak teorik çalışmalar için yeni, geliştirilmiş çift etkileşim potansiyeli sağlar. Yakın gelecekte bu malzemelerin termal iletkenliğini çalışmayı ve magnezyum pniktidleri kullanarak pil simülasyonu yapmayı planlamaktayız.
Anahtar Kelimeler: Moleküler Dinamik Simülasyon, sıvı metal piller, magnezyum piniktidler, magnezyum nitrür, magnezyum fosfit.

Abstract:
Beside the solar and wind-power as being alternatives to the fossil fuels, the energy storage plays the key role in searching for effective solutions to the global energy problem. As is known, today lithium-ion batteries have led to many new technologies in this field. However, there are still important issues to be resolved such as short lifetimes, overheating and efficiency. Recently developed liquid metal battery (LMB) technology seems to be a promising solution in searching for alternatives to traditional Li-ion batteries. A LMB contains immiscible liquid states of magnesium and antimony as electrode layers, and molten salt as the ionically conductive electrolyte in the middle layer. Due to their potential technological and industrial applications as a high-performance thermoelectric material with a low thermal conductivity Magnesium pnictides Mg_3 X_2 (X=N,P,As,Sb,Bi) could be potential candidates as a component of liquid metal batteries. Notwithstanding their technological and industrial importance, the fundamental properties of magnesium pnictides are barely studied in literature. In this thesis, we have systematically investigated the structural, thermal and ionic transport properties of Magnesium nitride (Mg_3 N_2) and Magnesium phosphite (Mg_3 P_2) within a wide range of temperature at solid and liquid phase by means of classical computer simulation method. To do so, we have first developed new semi-empirical potential for each system to model the interionic interactions at solid and liquid phases. The present work will be beneficial in order to adjust the thermophysical properties in searching functional materials in the area of applications based on solid and liquid forms of the materials. Furthermore, the results extend our knowledge on the structural, thermal and ionic diffusion, and provides a newly developed pairwise potential for the future theoretical studies. In the near future, we plan to study the thermal conductivity of these materials and simulate batteries using magnesium pnictides. 

Keywords: Molecular Dynamics Simulation, liquid metal batteries, magnesium pnictides, magnesium nitride, magnesium phosphide.