Pierwsza symulacja poziomu atomowego całej baterii

Jeśli chodzi o rozwój technologii nowej generacji, największym wąskim gardłem jest prawdopodobnie akumulator. Inżynierowie potrzebują lepszych akumulatorów do pojazdów elektrycznych, do magazynowania energii w sieciach energetycznych i, oczywiście, do urządzeń elektroniki użytkowej.

Baterie te muszą dostarczać wyższy prąd podczas większej liczby cykli rozładowania z większą gęstością energii, żeby wymienić tylko kilka wyzwań.

Budowanie i testowanie nowych projektów akumulatorów jest czasochłonne, trudne i kosztowne. Dlatego elektrochemicy mogą zasymulować sposób działania akumulatora, zanim ubrudzą sobie ręce.

To trudne. Nikt nie był w stanie zasymulować całej baterii na poziomie atomowym ze względu na złożoność zachodzących procesów i ograniczenia dzisiejszych technik modelowania.

Dziś to się zmienia dzięki pracy Wolfa Dappa w Instytucie Zaawansowanej Symulacji i Martina Musera z University of Saarlandes, obaj w Niemczech. Ci faceci symulowali zachowanie całej baterii w skali atomowej. A ich symulacja po raz pierwszy odtwarza wiele rzeczywistych cech akumulatora z pierwszych zasad.

W ostatnich latach informatycy poczynili znaczne postępy w symulowaniu różnych aspektów zachowania baterii. Modele te działają w mezoskali – mniejszej niż elektrody, ale większej niż cząsteczki. Symulacje opierają się na danych eksperymentalnych do modelowania takich rzeczy, jak przewodnictwo jonowe i elektronowe, współczynniki dyfuzji, gęstości prądu, potencjały elektrochemiczne i tak dalej.

Modele te mają poważną wadę – mają niewielką moc predykcyjną, jeśli chodzi o nowe materiały lub kombinacje materiałów, dla których dane eksperymentalne nie są dostępne. Aby przewidzieć zachowanie nowych materiałów, elektrochemicy muszą modelować baterie w skali atomów i molekuł.

To trudne, ponieważ techniki stosowane przez informatyków do symulowania zachowania atomów i molekuł nie nadają się do akumulatorów. Symulacje te są przeznaczone dla systemów znajdujących się w równowadze lub w jej pobliżu. Działają wyrównując potencjał chemiczny lub minimalizując energię układu. Jednak różnica w potencjale chemicznym między dwiema elektrodami jest dokładnie tym, co napędza transport ładunku w baterii, mówią Dapp i Muser.

Aby modelować baterię jako całość, model komputerowy musi uwzględniać wszelkie zmiany w energii lub potencjale chemicznym na każdym etapie obliczeń. Dokładnie to zrobili Dapp i Muser. W ich modelu ładunek jest zmienną, która może być wymieniana między atomami i wiązaniami na każdym etapie obliczeń.

Uzyskane symulacje są małe, ale imponujące. Ich nanobateria składa się z 358 atomów, z których 118 tworzy elektrody. Katoda jest początkowo pokryta warstwą 20 atomów z 39 dodatnio zjonizowanymi atomami rozpuszczonymi w elektrolicie.

Obliczenia przebiegają następnie etapami, w których atomy mogą się poruszać i wymieniać ładunek w miarę ewolucji układu. Cała symulacja składa się z około 10 milionów takich kroków.

Wyniki są niezwykłe, ponieważ faktycznie odtwarzają ogólne krzywe rozładowania prawdziwych akumulatorów makroskopowych. Na przykład niższa temperatura pracy zmniejsza efektywną pojemność symulowanego akumulatora. A co najważniejsze, symulacja odtwarza sposób, w jaki zużywają się zwykłe baterie. Po naładowaniu wydajność baterii nieznacznie spada, a morfologia powierzchni elektrod zmienia się podczas pracy baterii, mówią Dapp i Muser.

Ci faceci mówią, że praca na tym etapie jest tylko modelem „proof-of-principle” i że jest wiele sposobów, w jakie można ją ulepszyć w przyszłości. Na przykład modelują elektrolit przy użyciu cząstek, które mają stały ładunek, a więc nie mogą go wymienić.

Nie tak działają elektrolity w prawdziwych bateriach, a więc jest to ważna wada nowej metody. Ale Dapp i Muser zamierzają to naprawić. Mówią, że ta idealizacja zostanie porzucona w przyszłej pracy.

Ogólnie rzecz biorąc, wygląda to na ważną pracę. Ten rodzaj modelu może radykalnie poprawić moc predykcyjną symulacji baterii, a tym samym pomóc elektrochemikom zaoszczędzić znaczną ilość czasu, energii i pieniędzy przed rozpoczęciem szczegółowych eksperymentów.

Efektem końcowym powinny być lepsze akumulatory, ale do tego czasu jest jeszcze długa droga.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1308.3424 : Reakcje redoks z potencjałami empirycznymi: symulacje rozładowania baterii atomowych

ukryć