Регистрация / Вход
Прислать материал

Компьютерное моделирование наноструктурированных электродов на основе кремния в Li-ионных аккумуляторах и батареях

Докладчик: Зюбина Татьяна Сергеевна

Должность: ведущий научный сотрудник, Ведущий научный сотрудник

Цель проекта:
Основной задачей проекта является разработка компьютерной модели ионного транспорта в литий-ионных аккумуляторах, обеспечивающей прогнозирование количественных характеристик устройства и выявление лимитирующего процесса. Основной проблемой, стоящей перед проектом, является изучение влияния структуры и состава наноструктурированных электродов на основе углерода и кремния в литий-ионных аккумуляторах на их абсорбционные характеристики по отношению к ионам лития, устойчивость к деструктуризации при поглощении и извлечении ионов лития, а также транспортных свойств твердых электролитов на основе литий-содержащих керамик и стеклокерамик, особенностей ионного транспорта через границу электрод - электролит, проведенного на основе детального компьютерного моделирования наноструктур и процессов в них с использованием современных квантово-химических и молекулярно-динамических подходов. Общими целями проекта являются: - получение значимых научных результатов, позволяющих переходить к созданию новых видов научно- технической продукции; - предоставление научно-исследовательским организациям новых и эффективных методов и средств проведения исследований; - повышение эффективности применения находящегося в эксплуатации технологического оборудования. - разработка программного комплекса визуализации результатов расчетов параметров ионного транспорта в литий-ионных источников тока.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения проекта ожидается, что на основе проведенного квантово-химического и
молекулярно-динамического моделирования будут сформулированы рекомендации по созданию на основе
кремниевых и кремний-углеродных наноструктур новых материалов, предназначенных для дальнейшего
увеличения удельной энергоемкости и долговечности Li-ионных батарей и аккумуляторов со сниженной
себестоимостью,область применения которых весьма велика - мобильные устройства, гибридный авто- и
авиатранспорт, электроприборы, системы жизнеобеспечения и многое другое.
В качестве результатов предполагается получить характеристики наноматериалов
(электродных и мембранных) и создаваемых на их основе наноструктурированных компонентов
химических источников тока, а также происходящих в них Li-ионных транспортных процессов. На основе
рассмотренного пространственного и электронного строения нанокластеров будут проанализированы
особенности поведения электрохимической системы ClSin/Lim в зависимости от соотношения числа
атомов C, Si и Li. Предполагается создать на мезоскопическом уровне модели композитных
наноструктурированных анодов на основе нанокластеров кремния, и литий-проводящих мембран. Это
позволит в дальнейшем существенно повысить эффективность создаваемых компонентов на основе
наноматериалов для использования в различных электрохимических устройствах и снизить их стоимость.
В научной литературе практически нет данных по изучению строения свойств содержащих пустоты нанокомпозитов на основе углерода и кремния, способных адсорбировать значительное количество лития без разрушения и резкого изменения объема. Квантово-химическое моделирование на современном уровне (функционал плотности с градиентной коррекцией) способно достоверно воспроизводить структурные и энергетические характеристики молекул, твердых тел и их поверхностей, поэтому с его помощью можно получить достаточно достоверные сведения о свойствах изучаемых систем и определить наиболее перспективные композиты для создания литиевых источников тока.
Используемые квантово-химические методы расчета полностью соответствуют мировому уровню.

Для выполнения проекта планируется использовать современные методы широкомасштабного квантово-химического моделирования на основе прикладных пакетов в условиях суперкомпьютеров, высокопроизводительных гибридных установок и ресурсов вычислительных грид-сред, позволяющих повысить детализацию и качество создаваемых моделей нанообъектов и процессов, их сопровождающих, а также существенно упростить проведение экспериментальных работ по созданию новых материалов и выявлению их свойств.
Предполагается проведение детального квантово-химического моделирования как в кластерном приближении, так и с периодическими граничными условиями, с базисом проектированных плоских волн (PAW) с использованием ряда новейших прикладных пакетов в области квантовой химии и молекулярной динамики. При этом планируется применение наиболее надежного на сегодняшний день функционала локальной плотности PBE с градиентной коррекцией, который обеспечивает хорошую точность расчетов не только для диэлектриков и полупроводников, как наиболее популярный в настоящее время B3LYP, но и для металлов. В качестве объектов моделирования будут использоваться системы на основе углерода и кремния и полимерные электролиты, являющиеся перспективными материалами для литий-ионных аккумуляторов. Моделирование будет выполняться с помощью расчетов структуры и стабильности различных наночастиц (кластеров), нанотрубок, нанопроволок и кристаллических поверхностей на основе углерода, кремния и лития, а также сканирования участков потенциальных поверхностей между отдельными локальными минимумами для атомов лития с целью определения путей их миграции и величин соответствующих барьеров. С помощью неэмпирической молекулярной динамики (прикладной пакет CPMD) планируется моделирование влияния температуры на структуры, перспективные в отношении поглощения лития.
Новизна предлагаемой работы состоит в построении масштабной компьютерной модели ионного транспорта в литий-ионных аккумуляторах на основе новых перспективных материалов, обеспечивающей прогнозирование количественных характеристик устройства и выявление лимитирующего процесса. Исследование в рамках проекта строения и свойств электродных и мембранных материалов, а также механизмов и параметров процессов внутри них позволит сформулировать основы для создания экономически выгодных в производстве литий-ионных батарей, обладающих повышенной стабильностью, эффективностью и долговечностью.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Основная область применения результатов - разработка и производство высокоэффективных Li-ионных батарей и аккумуляторов с повышенными характеристиками удельной энергоемкости, долговечности и устойчивости и со сниженной себестоимостью. Разработанная в результате выполнения проекта компьютерная модель ионного транспорта в литий-ионных аккумуляторах обеспечит прогнозирование количественных характеристик устройства и выявление лимитирующего процесса. Будут разработаны рекомендации по производству компонентов высокоэффективных Li-ионных батарей и аккумуляторов.
Результаты моделирования будут использованы при проектировании компонентов Li-ионных батарей и аккумуляторов и разработке методов синтеза составляющих их материалов, а также при формировании направлений исследований новых вариантов химических источников тока, основанных на применении кремниевых и кремний-углеродных наноструктур и ионной проводимости в твердых электролитах.
Научные результаты моделирования будут использованы при создании численных моделей новых материалов и процессов, происходящих в химических источниках тока на основе лития и кремниевых и кремний-углеродных наноструктур.

Текущие результаты проекта:
Частично произведен анализ научно-технической литературы и выполнены предварительные квантово-химические исследования нанокластеров кремния. Структуры кристалла кремния и нанокластеров Sin (n=1÷119) были рассчитаны квантово-химически с использованием периодических граничных условий, на уровне DFT/PBE и базиса «hard» проектированных присоединенных волн (PAW) в рамках программного комплекса VASP. Было показано, что энергия образования кластеров растет с ростом n . Строение кластеров меняется от плоского для n ≤ 4, до пирамидального для n ≥5. Для n =6÷8 наиболее стабильны изомеры в виде бипирамид. Слипание таких бипирамид энергетически выгодно, так, что возможно образование объединений в виде «снежного кома».