Alhayki, Mohamed (2026) Computational Design of Lead-Free Perovskite Ceramics for Energy Storage Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 13 August 2027. Download (6MB)

Arabic Abstract

اعتمدت العديد من مواد سيراميك البيروفسكايت عالية الأداء والمخصصة لتطبيقات تخزين الطاقة على تركيبات تحتوي على الرصاص؛ وذلك نظراً لخصائصها الكهروميكانيكية والاستقطابية الفائقة. ومع ذلك، فإن السُمّية، والمخاوف البيئية، والقيود التنظيمية المرتبطة بالرصاص، أوجدت حاجة مُلحّة لتطوير بدائل أكثر أماناً واستدامة. ونتيجة لذلك برز سيراميك البيروفسكايت الخالي من الرصاص كمواد بديلة واعدة للغاية لتقنيات تخزين الطاقة من الجيل القادم. تسمح بنية البيروفسكايت بإجراء تعديلات كيميائية واسعة النطاق، مما يتيح التحكم في الخصائص التي تُحدد أداء هذه المواد لتخزين الطاقة. في هذا البحث، تم توظيف هندسة المواد الحسابية ومفهوم السيراميك عالي الإنتروبيا لاستكشاف إمكانية تصميم سيراميك بيروفسكايت جديد قائم على نيوبات الصوديوم (NaNbO_3) لتطبيقات تخزين الطاقة. تم إجراء حسابات المبادئ الأولى باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية كما هي مطبقة في حزمة محاكاة فيينا (VASP)، بالإضافة إلى حسابات الديناميكيات الجزيئية (AIMD) باستخدام مخطط درجات الحرارة المحدودة. تم التقييم المنهجي للسلامة الهيكلية، والاستقرار الديناميكي الحراري، إلى جانب الخصائص الإلكترونية والميكانيكية للهيكل الأصلي، وتلك المدعّمة بالموليبدينوم ومواد أخرى، والمدعّمة بالتنجستن ومواد أخرى. أظهرت النتائج أنه يمكن تحقيق خصائص قطبية عالية دون المساس بمتانة الشبكة البلورية. ومن بين المواد الثلاث، كان الهيكل المدعّم بالتنجستن هو الأكثر استقراراً حيث بلغت طاقة التكوين -2.529 eV/atom وطاقة التماسك القصوى 6.298 eV/atom. بالإضافة إلى ذلك، تم تحقيق ثابت عزل قدره 585.49 على طول المحور Z للهيكل المدعّم بالتنجستن، مما يمثل تحسناً يزيد عن خمسة أضعاف مقارنة بالهيكل الأصلي. كما انخفض مؤشر تباين الخواص العالمي من 0.72 للهيكل الأصلي إلى قيمة تقارب تماثل الخواص تبلغ 0.04 للهيكل المدعّم بالتنجستن. علاوة على ذلك، أظهر الهيكل كهروضغطية عالية تبلغ 13.307 C/m^2 على طول أحد الاتجاهات. وقد أكدت الخصائص الإلكترونية بدورها على الجدوى العملية للهيكل المدعّم بالتنجستن، والذي حافظ على فجوة نطاق أوسع تبلغ 2.08 eV مقارنة بالبديل المشوب بالموليبدينوم والذي بلغت فجوة نطاقه 1.885 eV، وعلى الرغم من أن الهيكل المشوب بالموليبدينوم أظهر تحسينات ملحوظة مقارنة بالهيكل الأصلي، إلا أن أداءه كان أقل من أداء الهيكل المدعّم بالتنجستن. تُبرز الخصائص الجاذبة للهيكل المدعّم بالتنجستن إمكاناته كمادة مرشحة واعدة لمكثفات العزل الكهربائي من الجيل القادم.

English Abstract

Many high-performance perovskite-based ceramics for energy storage applications have relied on lead-containing compositions because of their outstanding electromechanical and polarization characteristics. However, toxicity, environmental concerns, and regulatory restrictions associated with lead have created an urgent need to develop safer and more sustainable alternatives. As a result, lead-free perovskite ceramics have emerged as highly promising alternative materials for next-generation energy storage technologies. The ABO_3 perovskite structure allows extensive chemical modification at both the A- and B-sites, enabling control over the properties that govern the performance of these structures as energy storage materials. In this work, computational materials approaches and the high-entropy ceramics concept were used to explore the possibility of designing new doped sodium niobate (NaNbO_3)-based perovskite ceramics for energy storage applications. First-principles calculations were performed using density functional theory as implemented in the Vienna Ab initio Simulation Package (VASP), and ab initio molecular dynamics (AIMD) calculations were performed using a finite-temperature scheme. The structural integrity, thermodynamic stability, and dielectric, electronic, and mechanical properties of NaNbO_3, and NaNb_0.25 Mo_0.25 Ta_0.25 Hf_0.125 Zr_0.125 O_3 (Mo-doped), and NaNb_0.25 W_0.25 Ta_0.25 Hf_0.125 Zr_0.125 O_3 (W-doped) structures were systematically evaluated. The results showed that high dielectric properties can be achieved without compromising lattice robustness. Among the three materials, the W-doped structure was, overall, the most thermodynamically stable, with a formation energy of -2.529 eV/atom and a peak cohesive energy of 6.298 eV/atom. Additionally, a dielectric constant of 585.49 along the Z-axis was achieved for the W-doped structure, representing an enhancement of more than five times compared with pristine NaNbO_3. The universal anisotropy index decreased from 0.72 for the pristine NaNbO_3 structure to a near-isotropic value of 0.04 for the W-doped structure. In addition, the structure exhibited high piezoelectricity of 13.307 C/m^2 along one direction. The electronic properties further confirmed the viability of the W-doped structure, which maintained a wider band gap of 2.08 eV compared with the Mo-doped alternative, which had a band gap of 1.88 eV. Although the Mo-doped structure displayed notable improvements over pristine NaNbO_3, its performance was lower than that of the W-doped structure. The attractive properties of the W-doped structure highlight its potential as a promising candidate material for next-generation dielectric capacitors.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Saheb Nouari,
Thesis Committee Members:	Ihsan Ul Haq Toor, Mohamad Qamar,
Depositing User:	MOHAMED ALHAYKI
Date Deposited:	17 Aug 2026 06:57
Last Modified:	17 Aug 2026 06:57
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144696