Регистрация / Вход
Прислать материал

Компьютерное моделирование абсорбционных и транспортных свойств твердых электролитов и наноструктурированных электродов на основе углерода и кремния в Li-ионных аккумуляторах и батареях

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
квантово-химическое моделирование наноструктур, молекулярное моделирование наноструктур, твердое тело, кластеры, катализ, дефекты, поверхностные явления, ионный транспорт, интеркалаты, литий-ионные аккумуляторы, параллельные вычисления, гибридные вычисления

Цель проекта:
Основной целью проекта является разработка компьютерной модели ионного транспорта в литий-ионных аккумуляторах, обеспечивающей прогнозирование количественных характеристик устройства и выявление лимитирующего процесса. 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.
Использование современных методов широкомасштабного квантово-химического и молекулярно-динамического моделирования на основе прикладных пакетов в условиях суперкомпьютеров, высокопроизводительных гибридных установок и ресурсов вычислительных грид-сред позволит 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.
Исследование в рамках проекта строения и свойств электродных и мембранных материалов, а также механизмов и параметров процессов внутри них позволит сформулировать основы для создания литий-ионных батарей, обладающих повышенной стабильностью, эффективностью и долговечностью, а также экономически выгодных в производстве.
Созданная дружелюбная пользователю комплексная вычислительная среда для проведения максимально эффективных расчетов на гетерогенных ресурсах позволит проводить квантово-химическое и молекулярно-динамическое моделирование различных наноматериалов и структур на их основе, а также станет прототипом для создания подобных сред как для химических наук, так и для прочих областей знания, связанных с моделированием вещества.
В ходе выполнения работы планируется опубликовать научные статьи, содержащие описание расчета, а также результатов проведенного на его основе квантовохимического моделирования компонентов литий-ионных батарей, в ведущих российских и зарубежных научных изданиях, представить доклады на международных конференциях, а также подготовить промежуточные и заключительный отчёты о НИР, в которых будут раскрыты подробности всех проделанных работ.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В качестве научных результатов предполагается получить детальные численные модели 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.

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:
1. Проведено компьютерное моделирование агрегатов чистого кремния;
2. Проведено компьютерное моделирование кремниевых кластеров с ядром из карбида кремния;
3. Проведено компьютерное моделирование углеродных нанотрубок, окруженных слоем кремния;
4. Проведено компьютерное моделирование нанопроволок со стержнем на основе карбида кремния и кремниевой оболочкой;
5. Проведено Компьютерное моделирование последовательного внедрения атомов лития в наноструктуры на основе кремния и углерода.
6. Проведено выяснение структурных и энергетических изменений в процессе поглощения атомов лития. Определение путей и барьеров миграции атомов лития в процессе насыщения наночастицы;
6. Проведено Компьютерное моделирование последовательного выведения атомов лития из литированных наночастиц. Определение структурных и энергетических изменений в этом процессе. Определение устойчивости наночастиц к разрушению при
делитировании;
7. Проведена разработка метода математико-геометрической оценки параметров инжекционного электрода в зависимости от его микроструктуры и состава на основе моделирования внедрения ионов лития в композитные электродные материалы.;
8. Проведено компьютерное моделирование агрегации исходных и литированных наночастиц: формирование мезоструктур на базе исходных кремний-углеродных наночастиц, формирование мезоструктур на базе литированных кремний-углеродных наночастиц.
9. Проведена разработка программного модуля «Сервер приложений»;
10. Проведено исследование по применению программного модуля «Сервер приложений» для проведения квантово-химических и молекулярно-динамических расчетов на высокопроизводительных ресурсах;
11. Проведена разработка программного модуля «Хранилище данных»;