مدل سازی محاسباتی اندرکنش جامد و سیال: پایداری نانولوله کربنی در اثر شارش سیال و عمر باتری لیتیم یونی

امروزه بررسی اثرات متقابل جامد و سیال در ابعاد میکرو و نانو در زمینه های گوناگون مهندسی مورد توجه محققان می باشد. در تحقِق حاضر به توسعه مدل های مورد استفاده برای مطالعه این اثرات در دو حوزه مختلف پرداخته شده است. در ابتدا، عبور جریان سیال درون نانولوله کربنی و اثر آن بر ناپایداری ساختار نانولوله مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه، حرکت گونه های یونی مختلف درون سیال و جامد در محیط متخلخل باتری لیتیم یونی و اثرات آن بر عمر باتری مورد ارزیابی قرار گرفته است. در قسمت اول، مدل استاندارد پوسته غیرخطی دانل برای بیان رفتار ساختار جامد در اثر عبور جریان سیال در ابعاد نانو توسعه داده شده است. در اینجا سرعت بالای توده سیال از طریق نیروهای اینرسی باعث تقویت نیروهای جانب مرکز و کریولیس و از طریق لزجت باعث تغییر نیروی فشار ایستایی درون لوله و نیز ایجاد نیروی عکس العمل محوری در تکیه گاهها می شود. با توجه به تاثیر قابل ملاحظه لایه کم تراکم نزدیک دیواره نانولوله کربنی بر لزجت سیال، برای اولین بار روابط حاکم بر سیال به منظور درنظرگرفتن این اثر اصلاح شده است. همچنین به دلیل اهمیت اثرات غیرموضعی در مقیاس کوچک، معادلات بیان کننده رفتار جامد برای در نظر گرفتن این اثرات تعمیم یافته اند. برای بررسی اثر بستر ارتجاعی بر پایداری نانولوله نیز از مدل وینکلر استفاده گردیده است. بر خلاف مدل خطی دانل، مدل غیرخطی حاضر ناپایداری نانولوله در اثر حرکت سیال را به ویژه برای نانولوله های با نسبت طول به قطر بزرگتر، در سرعت های بسیار کمتر پیش بینی می کند. همچنین مدل حاضر پیش بینی می کند با افزایش نسبت طول به قطر، سرعت های بحرانی به سمت مقادیر ثابتی میل می کنند و از نسبت طول به قطر مستقل می گردند. نتایج بررسی اثرات لزجت نشان می دهد در جریان آب درون نانولوله کربنی، وجود لایه کم تراکم با کاستن از مقدار لزجت نزدیک دیواره، باعث تضعیف اثرات آن می شود. با کوچک شدن شعاع نانولوله بخش بیشتری از جریان در ناحیه کم تراکم قرار گرفته و لذا جریان سیال بیشتر تحت تاثیر این لایه قرار می گیرد. در شعاعnm 20، با وجود لایه کم تراکم، لزجت همچنان تاثیر قابل ملاحظه ای بر افزایش فشار درون نانولوله و افزایش پایداری ساختار نانولوله دارد. اما در شعاع nm 5/3، لایه کم تراکم تقریباً اثرات لزجت را حذف می کند. مقایسه نتایج بررسی اثرات غیرموضعی نشان می دهد که اهمیت این اثرات با کاهش شعاع نانولوله افزایش می یابد و رفتار آنها در جهت تسریع ناپایداری در نانولوله می باشد. همچنین تاثیر بستر ارتجاعی به کمک مدل وینکلر نشان می دهد با افزایش ضریب وینکلر مقدار سرعت بحرانی به سمت مقادیر بیشتر حرکت می کند. در قسمت دوم برنامه dualfoil.5.1 که با بررسی چگونگی تولید و انتقال یونها و الکترون ها در سیال و جامد متخلخل، رفتار باتری لیتیم یونی را پیش بینی می کند اصلاح شده تا امکان درنظرگرفتن وابستگی کمیت های مختلف ریخت شناسی به عرض الکترود و انجام محاسبات برای تعداد چرخه پر و خالی متعدد فراهم گردد. به منظور بررسی برخی فرضیات آزمایش هایی نیز در این بخش انجام شده است. نتایج تجربی در کار حاضر نشان می دهد در باتری های لیتیم یونی با فناوری روز می توان مقدار تخلخل در الکترودها را حین فرایند پر و خالی شدن ثابت درنظرگرفت. در بخش شبیه سازی، برای اولین بار، تغییرات ضخامت لایه تشکیل شده روی جامد در سطح مشترک جامد و الکترولیت، sei، در عرض الکترود در اثر تغییرات واکنش شیمیایی جانبی شبیه سازی و از آن به عنوان معیاری برای بررسی شدت شرایط بحرانی استفاده شده است. بر این اساس، نتایج پیش بینی می کنند سمتی از الکترود که با جداکننده تماس دارد، بدترین شرایط را تجربه می کند. در ادامه، به بررسی اثر کمیتهای مختلف بر کنترل یکنواختی لایه sei در عرض الکترود پرداخته شده است. نتایج نشان می دهد هدایت یونی الکترولیت اثر زیادی بر نایکنواختی دارد و افزایش این کمیت باعث بهبود کارآیی و افزایش عمر باتری می شود. افزایش ضریب نفوذ، یکنواختی در ضخامت و مقاومت الکتریکی sei در عرض الکترود را بهبود می بخشد، اما نرخ بهبود با افزایش ضریب نفوذ کاهش می یابد. همچنین نتایج بررسی اثر خواص مربوط به ریخت شناسی بر یکنواختی لایه seiنشان می دهد در حالتی که ذرات فعال از کره هایی با سطح هموار تشکیل شده که کاملاً در تماس با ملکولهای الکترولیت هستند تغییر کمیت های ریخت شناسی در عرض الکترود اثر قابل توجهی روی تشکیل لایه sei و مقاومت الکتریکی آن ندارد. ولی، اگر هر سه پارامتر تخلخل، شعاع ذرات فعال و سطح مشترک مستقل از هم دارای شیب مثبت در عرض الکترود باشند، ضخامت sei یکنواخت تر می شود. این نکته می تواند معیار انتخاب ریخت های جدید برای قسمتی از آند که در تماس با جداکننده است، باشد.