COMPUTATIONAL DESIGN OF INNOVATIVE INTERLAYERS TO ENHANCE ELECTROLYTE ELECTRODE INTERFACE STABILITY IN LITHIUM METAL BATTERIES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Thesis) Abdul-rahman_A_Abdul-rahman_Thesis_report.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 12 May 2027. Download (10MB)

Arabic Abstract

تتميز بطاريات الليثيوم الصلبة الكاملة بكفاءة طاقة استثنائية، وسلامة معززة، وقدرة على الشحن السريع. وقد برز إلكتروليت الأرغيرودايت Li₆PS₅Cl بوصفه إلكتروليتًا صلبًا واعدًا للجيل القادم، نظرًا لقدرته العالية على توصيل الأيونات، ومرونته الميكانيكية، وقابليته للخضوع للتخميل الحركي. ومع ذلك، فإن التطبيق العملي لهذه البطاريات لا يزال يواجه تحديًا كبيرًا يتمثل في عدم الاستقرار الديناميكي الحراري للواجهات البينية، ولا سيما عند واجهة الليثيوم–LPSC. في هذه الأطروحة، تم تطوير إطار حاسوبي منهجي للتصميم الرشيد للمركبات الزنتلية ثنائية العناصر بوصفها سلائف تفاعلية قادرة على تكوين طبقات تداخل صلبة للإلكتروليت (SEI) مستقرة عند واجهة الليثيوم–LPSC. وقد تم الاعتماد على بيانات نظرية دالة الكثافة (DFT) عالية الإنتاجية المستخرجة من مشروع المواد (Materials Project)، إلى جانب أدوات التحليل الديناميكي الحراري لمكتبة PyMatGen. تم تقييم مكتبة شاملة تضم 1683 مركبًا زنتليًا ثنائيًا باستخدام سلسلة من المعايير المتتابعة التي تشمل الاستقرار الديناميكي الحراري، وقابلية ذوبان الليثيوم، وديناميكيات التفاعل، والاستقرار الكهروكيميائي، والعزل الإلكتروني، والنقل الأيوني، والتفاعل مع إلكتروليت LPSC. ومن خلال هذه المنهجية متعددة المراحل، تم تحديد 450 مركبًا مستقرًا حراريًا، ليتم في النهاية تضييق نطاق الاختيار إلى مركبات قائمة على المغنيسيوم والسترونشيوم مع عناصر البزموت والأنتيمون والزرنيخ. وقد تم اختيار ثمانية مرشحين محتملين، وهي: Mg₃Bi₂، Mg₃Sb₂، Mg₁.₄₉Bi، Mg₁.₄₉Sb، Sr₂Bi₃، Sr₂Sb₃، SrBi₃، SrSb₂. تخضع هذه المركبات لعملية لثيّة تلقائية تتوقف ذاتيًا، مما يؤدي إلى تكوين طبقات SEI شبه موصلة متعددة الأيونات، مثل: Li₃Bi، Li₃Sb، SrLiBi، SrLiSb، والتي تتميز بفجوات طاقة مناسبة، وقيم توصيل أيوني جيدة، وطاقات تحلل كبيرة. كما أظهرت تقييمات التوافق أن هذه المرشحات قادرة على تكوين نواتج تخميل مستقرة عند واجهة Zintl–LPSC، مثل: LiMgP، MgS، Li₂S، LiCl، Li₃P، وSrS. وتوفر مبادئ التصميم المستخلصة من هذه الدراسة خارطة طريق قابلة للتعميم لهندسة طبقات التداخل الفعالة في بطاريات الحالة الصلبة من الجيل القادم.

English Abstract

All-solid-state lithium-metal batteries offer high energy density, improved safety, and fast charging capabilities, making them strong candidates for next-generation energy storage systems. Among solid electrolytes, argyrodite Li₆PS₅Cl (LPSC) has attracted significant attention due to its high ionic conductivity, mechanical softness, and ability to form kinetically stable interphases. However, its practical application is limited by intrinsic thermodynamic instability at the lithium metal interface, particularly at the Li–LPSC interface. This thesis presents a systematic computational framework for designing binary Zintl intermetallic compounds as reactive precursor interlayers capable of forming stable solid electrolyte interphases (SEIs) to stabilize the Li–LPSC interface. High-throughput density functional theory (DFT) data from the Materials Project, combined with thermodynamic analysis tools from the Python Materials Genomics (PyMatGen) library, were used to evaluate 1,683 binary Zintl compounds. The screening process applied eight key criteria, including thermodynamic stability, lithium solubility, lithiation energetics, electrochemical stability, electronic insulation, ionic conductivity, and interfacial reactivity with LPSC. From this multi-stage screening, 450 thermodynamically stable compounds were identified and further narrowed down to magnesium- and strontium-based Zintl phases containing Bi, Sb, and As. Eight promising candidates were shortlisted: Mg₃Sb₂, Mg₃Bi₂, Mg₁₄₉Sb, Mg₁₄₉Bi, Sr₂Bi₃, Sr₂Sb₃, SrBi₃, and SrSb₂. These materials exhibit spontaneous lithiation behavior and form self-limiting, semiconducting, polyanionic SEIs such as Li₃Sb, Li₃Bi, SrLiBi, and SrLiSb. These interphases possess suitable band gaps, good ionic conductivity, and strong thermodynamic stability. Further compatibility analysis shows that selected candidates enable the formation of stable, self-passivating interfacial products, including LiMgP, MgS, Li₂S, LiCl, Li₃P, and SrS, at the Zintl–LPSC interface. Overall, the design principles developed in this work provide a general and scalable roadmap for engineering effective interlayers to stabilize interfaces in next-generation solid-state batteries.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Engineering Chemical Engineering Physics Electrical Mechanical
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Thesis Advisor:	Guy Oliver Ngongang Ndjawa,
Thesis Committee Members:	Mamdouh Al-harthi, Sunhwa Park,
Depositing User:	ABDUL-RAHMAN ABDUL-RAHMAN (g202320710)
Date Deposited:	12 May 2026 11:16
Last Modified:	12 May 2026 11:16
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144242