Visa akumulatora pirmā atomu līmeņa simulācija

Runājot par nākamās paaudzes tehnoloģiju izstrādi, lielākais vājais kakls neapšaubāmi ir akumulators. Inženieriem ir vajadzīgi labāki akumulatori elektriskajiem transportlīdzekļiem, enerģijas uzkrāšanai elektrotīklos un, protams, plaša patēriņa elektroniskajām ierīcēm.

Šīm baterijām ir jānodrošina lielāka strāva vairākos izlādes ciklos ar lielāku enerģijas blīvumu, lai nosauktu tikai dažus no izaicinājumiem.

Jaunu akumulatoru dizainu izveide un testēšana ir laikietilpīga, sarežģīta un dārga. Tāpēc elektroķīmiķiem ir ērti simulēt akumulatora darbību, pirms tie kļūst netīri.

Tas ir sarežģīti. Neviens nav spējis simulēt visu akumulatoru atomu līmenī notiekošo procesu sarežģītības un mūsdienu modelēšanas metožu ierobežojumu dēļ.

Mūsdienās tas mainās, pateicoties Volfa Dapa darbam Uzlabotās simulācijas institūtā un Mārtina Musera darbam Zārlandes Universitātē (abi Vācijā). Šie puiši ir simulējuši veselas baterijas uzvedību atomu mērogā. Un to simulācija pirmo reizi atveido daudzas akumulatora reālās īpašības no pirmajiem principiem.

Pēdējos gados datorzinātnieki ir guvuši ievērojamus panākumus dažādu akumulatora darbības aspektu modelēšanā. Šie modeļi darbojas mezomērā — mazāki par elektrodiem, bet lielāki par molekulām. Simulācijas balstās uz eksperimentāliem datiem, lai modelētu tādas lietas kā jonu un elektroniskā vadītspēja, difūzijas koeficienti, strāvas blīvumi, elektroķīmiskie potenciāli un tā tālāk.

Šiem modeļiem ir nopietns trūkums — tiem ir maza prognozēšanas spēja, kad runa ir par jauniem materiāliem vai materiālu kombinācijām, par kurām nav pieejami eksperimentālie dati. Lai prognozētu jaunu materiālu uzvedību, elektroķīmiķiem ir jāmodelē baterijas atomu un molekulu mērogā.

Tas ir grūti, jo metodes, ko datorzinātnieki izmanto, lai modelētu atomu un molekulu uzvedību, nav piemērotas baterijām. Šīs simulācijas ir paredzētas sistēmām, kas atrodas līdzsvarā vai tuvu tam. Tie darbojas, izlīdzinot ķīmisko potenciālu vai samazinot sistēmas enerģiju. Tomēr ķīmiskā potenciāla atšķirība starp diviem elektrodiem ir tieši tā, kas veicina uzlādes transportēšanu akumulatorā, saka Dapp un Muser.

Tātad, lai modelētu akumulatoru kopumā, datora modelī ir jāņem vērā visas enerģijas vai ķīmiskā potenciāla izmaiņas katrā aprēķina posmā. Tieši to ir izdarījuši Dapp un Muser. Viņu modelī lādiņš ir mainīgs lielums, ar kuru var apmainīties starp atomiem un pāri saitēm katrā aprēķina posmā.

Rezultātā iegūtās simulācijas ir nelielas, bet iespaidīgas. Viņu nanoakumulators sastāv no 358 atomiem, no kuriem 118 veido elektrodus. Katods sākotnēji ir pārklāts ar 20 atomu slāni ar 39 pozitīvi jonizētiem atomiem, kas izšķīdināti elektrolītā.

Pēc tam aprēķins notiek soļos, kuros atomi var pārvietoties un mainīt lādiņu, sistēmai attīstoties. Visa simulācija sastāv no aptuveni 10 miljoniem šo darbību.

Rezultāti ir ievērojami, jo tie faktiski atveido reālu makroskopisku akumulatoru vispārējās izlādes līknes. Piemēram, zemāka darba temperatūra samazina imitētā akumulatora efektīvo jaudu. Un pats galvenais, simulācija atveido parasto bateriju nolietošanās veidu. Uzlādējot, akumulatora veiktspēja nedaudz pasliktinās, un akumulatora darbības laikā mainās elektrodu virsmas morfoloģija, saka Dapp un Muser.

Šie puiši saka, ka darbs šajā posmā ir tikai principa pierādījuma modelis un ir dažādi veidi, kā to nākotnē var uzlabot. Piemēram, viņi modelē elektrolītu, izmantojot daļiņas, kurām ir fiksēts lādiņš, un tāpēc tās nevar to apmainīt.

Reālos akumulatoros elektrolīti nedarbojas tā, tāpēc tas ir būtisks jaunās metodes trūkums. Bet Daps un Musers plāno to labot. Viņi saka, ka turpmākajā darbā šī idealizācija tiks atmesta.

Kopumā šķiet, ka šis ir svarīgs darbs. Šāda veida modelis varētu ievērojami uzlabot akumulatoru simulāciju paredzamo jaudu un tādējādi palīdzēt ietaupīt elektroķīmiķu laiku, enerģiju un naudu, pirms viņi sāk detalizētus eksperimentus.

Gala rezultātam vajadzētu būt labākiem akumulatoriem, taču līdz tam vēl tāls ceļš ejams.

Atsauce: arxiv.org/abs/1308.3424 : Redox reakcijas ar empīrisku potenciālu: atomu akumulatora izlādes simulācijas

paslēpties