Calculs ab-initio et simulations atomistiques des propriétés thermodynamiques et cinétiques de complexes de métaux de transition utilisés comme batteries

First principles and Atomistic simulation of the thermodynamical and dynamical properties of transition-metal complexes for battery application

• Auteur / Autrice : Asif Iqbal Bhatti
• Direction : Olivier Le Bacq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 20/12/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fannie Alloin, Marie-Bernadette Lepetit, Alain Pasturel, Jean-Claude Leprêtre
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marie-Liesse Doublet, Christophe Bucher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Batteries

Mots clés libres

Li-Sodium

Ab-Initio

Li-Ion

Ab-Initio

Li-Sodium

Polymer chemistry

Electrochemistry

Battery

DFT

Force Field development

Coordination polymers

Atomistic modeling

Coordination chemistry

Metal-Organic Framework (MOF)

Polymer materials

Ab-initio

MD study of cathode materials

Résumé

Ce travail théorique vise à étudier, via les méthodes Premiers Principes, les propriétés des complexes de métaux de transitions, left[Mleft(dmbpyright)_{3}right]^{n+}nCi^{-} pour un usage en batterie. Pour cette étude ab-initio, les composés mono et bi-nucléaires ont été retenus. La pertinance de notre modélisation a été validée sur les composés mononucléaires. Nous nous sommes interessé au complexes de Fe, Ru et Cu pour lesquels une validation expérimentale était possible. Notre étude a principalement consisté à faire varier les degrés de liberté que nous possédons pour optimiser le voltage et la cinétique de chargement des batteries. Pour cela, nous avons fait varier le TM = Fe, Ru, et Cu, la nature des contre-ions Ci^{-}=PF_{6}^{-}, TFSI^{-} et ClO_{4}^{-} en interaction avec le polymère lors du processus de charge, ainsi que la longeur de la chaîne alkyl qui sépare les deux monomers dans le cas des composés binucléaires. Le composé à base de Fe avec une chaîne -left(CH_{2}right)_{n=6}- a été retenu comme le meilleur candidat pour une application batterie. Le composé à base Ru montre un comportement proche de celui du Fe, quant-au complexe de Cu, il présente des changements de géométrie locale sous chargement trop importants, le rendant peu apte à conduire à une cinétique efficace. Cette étude nous a permis de déterminer que l'approximation PBE était le meilleur choix possible pour modéliser nos complexes dans les conditions de fonctionnement en batterie (dans le champ créé par les contre-ions) et que l'approximation PBE0, généralement utilisée dans la littérature, ne pouvait rendre compte de la physico-chimie de nos composés dans de telles conditions.De surcroît, nous avons dévelopé pour le complexe de Fe, un potentiel atomistique de type “Champ de forces” de manière à pouvoir aborder les aspects dynamiques impliquant de plus grandes tailles de boîte de simulation. Ici, nous modélisons une structure 3D, totalement réticulée à partir de nos monomères à base de Fe. Nous nous sommes servi de la base de donnés DFT que nous avions généré (énergies, géométries, état de spin et fréquences vibrationnelles calculées) pour ajuster les paramètres entrant dans l'écriture du modèle. La construction de la géométrie initiale du polymère 3D a nécessité l'écriture d'un code de calcul visant à produire un arrangement complétement réticulé et à assigner les charges effectives issues des calculs DFT. Ce modèle nous a permis de déterminer les coefficients de diffusion des contre-ions pour les états totalement chargé et non-chargé. Un calcul plus ambitieux vise à déterminer les chemins de diffusion des contre-ions lors d'un processus de chargement en considérant un seul centre de degré d'oxydation 3+ au centre du polymère 3D, pour lequel les centres actifs possèdent un degré d'oxidation 2+. Les contre-ions assurent la neutralité globale.Keyword: Polymer, Electrochemistry, Li-ion Battery, DFT, Force Field development, 3D structure, Atomistic modeling

Abstract Standard redox potentials for mono and bi-nuclear transition metal (TM) complexes left[Mleft(dmbpyright)_{3}right]^{n+}nCi^{-}, have been investigated using First Principles Calculation. Three metal centers are investigated: Fe, Ru, and Cu. Our modeling is validated on mono-nuclear compounds. This approach consists in determining the best small polymer (bi-nuclear) made out of these monomers for a battery application. For that, we varied the three available degrees of freedom i.e., the nature of the central TM atom (Fe, Ru, and Cu), counter-ions Ci=PF_{6}^{-}, TFSI^{-} and ClO_{4}^{-} in interaction with the polymer, and the alkyl chain -left(CH_{2}right)_{n}- of length n that connects both mono-nuclear in the bi-nuclear compound. The Iron compound with -left(CH_{2}right)_{n=6}- is found to be the best candidate. The left[Culeft(dmbpyright)_{2}right]^{n+}nCi^{-} complex shows too much structure deformation upon loading, making it less reliable for cathode material. Moreover, we studied two XC functional, PBE and PBE0 and found, for three complexes PBE approximation retains the ligand field picture whereas PBE0 functional induces an exaggerated and unexpected band dispersion by dissolving the ligand field picture expected for the octahedral environment of the TM in the studied complexes. These findings validate that hybrid functional for which it was designed to localize and cancel self-interaction error does not work for all system. More particularly, the PBE0 approximation fails to model the three complexes (Fe, Ru, and Cu) in functional conditions (in the field made by the counter-ions).Abstract Further, we have developed an atomistic potential relying on the Force Field scheme for the Iron complex in order to study the dynamical properties of this compound at larger simulation scale (3D reticulated polymerization made of our Fe complex monomers). We made an intensive use of our DFT data (energies, geometries, spin-state configurations and calculated vibrational properties) to develop the required parameters entering the model. Moreover, computational techniques (written python language) were developed specifically to create a 3D structure of transition metal complexes satisfying the condition to be fully reticulated. Bounding conditions had to be designed and a procedure aiming at fixing reliable and physical effective charges on each atom of the simulation cell (compatible with DFT results) were developed. Our first simulations have been attached to calculate the diffusion coefficients of the counter-ions in both the fully loaded and unloaded states. A more ambitious and realistic calculation aims at investigating the paths of the counter-ions when one single center starts to be loaded in an unloaded environment.Abstract Keyword: Polymer, Electrochemistry, Li-ion Battery, DFT, Force Field development, 3D structure, Atomistic modeling