Riassunto analitico
Questa tesi di laurea presenta la ricerca condotta durante lo stage Erasmus+ dal 03/04/2024 al 30/07/2024 presso l'Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS). Il progetto si concentra sulla modellizzazione atomistica di materiali con potenziali applicazioni nello stoccaggio dell'energia, un campo cruciale per rispondere alla crescente domanda globale di energia e supportare la transizione verso fonti di energia sostenibili.
L'attenzione è rivolta ai materiali polianionici, che mostrano un grande potenziale come componenti per catodi nelle batterie al sodio (NIB), con particolare riferimento al sistema Na-V-P-O (NVP) sia in forma di vetro che di vetro-ceramica. Sono state utilizzate simulazioni di dinamica molecolare (MD) per studiare le proprietà strutturali e dinamiche del sistema NVP, impiegando potenziali empirici, un potenziale interatomico basato sul machine learning e il metodo FPMD. Dopo aver simulato con successo le fasi vetrosa e cristallina separatamente, è stata costruita un'interfaccia vetro-cristallo NVP per rappresentare un elemento costitutivo fondamentale del materiale vetro-ceramico.
Questo lavoro valuta i punti di forza e le limitazioni dei diversi potenziali interatomici utilizzati, confrontandoli con dati sperimentali e risultati computazionali più accurati.
Inoltre, questo lavoro delinea potenziali direzioni future per migliorare la comprensione dei vetri e dei materiali vetro-ceramici NVP. Suggerisce infine ulteriori ricerche per affrontare meglio l'interazione complessa tra le loro proprietà strutturali e il comportamento dinamico intricato e eterogeneo degli ioni di Na in questi sistemi. Questo aprirebbe la strada a modelli più completi e a una comprensione più profonda del loro comportamento, contribuendo allo sviluppo di materiali per lo stoccaggio dell'energia più efficienti e affidabili.
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Abstract
This master’s thesis presents research conducted during an Erasmus+ internship from 03/04/2024 to 30/07/2024 at the Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS). The project investigates atomic-scale modeling of materials with potential applications in energy storage, a crucial field for meeting global energy demands and supporting the transition to sustainable energy sources.
The focus is on polyanionic materials, which show promise as cathode components in sodium-ion batteries (NIBs), specifically the Na-V-P-O (NVP) system in both glass and glass-ceramic forms. Molecular dynamics (MD) simulations were used to study the structural and dynamical properties of the NVP system, employing empirical potentials, a machine learning-based interatomic potential, and first-principles MD simulations. After successfully modeling the glassy and crystalline phases separately, a glass-crystalline NVP interface was constructed to represent a fundamental building block of the glass-ceramic material.
This work assesses the strengths and limitations of the different interatomic potentials used, benchmarking them against experimental data and high-accuracy computational results.
This work also outlines potential future directions to enhance the understanding of NVP glasses and glass-ceramic materials. It finally suggests further work to better address the complex interplay between their structural properties and the intricate, heterogeneous dynamical behavior of Na ions in these systems. This would pave the way for more comprehensive models and deeper insights into their behavior, contributing to the development of more efficient and reliable energy storage materials.
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