Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0102

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0102
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук
Название доклада
Компьютерное моделирование абсорбционных и транспортных свойств твердых электролитов и наноструктурированных электродов на основе углерода и кремния в Li-ионных аккумуляторах и батареях
Докладчик
Зюбина Татьяна Сергеевна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Актуальность и новизна исследования
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.
Описание исследования

Компьютерное моделирование выполнено в рамках метода функционала плотности с учетом градиентной коррекции и периодических граничных условий с помощью программного комплекса VASP (Vienna ab-initio simulation program, http://www.vasp.at). В качестве базиса применены проектированные плоские волны PAW с соответствующим псевдопотенциалом и функционал PBE. 

Методологически работа по моделированию нанокомпозитных материалов на основе углерода и кремния, наноструктур, построенных на их основе объектов и процессов, происходящих в них, выполняется в следующей последовательности:

  • Исследователь формирует файлы входных данных, определяющих стартовые условия моделей (первичные координаты атомов, общая геометрия системы, параметры задаваемых условий, граничные условия для моделей и т.п.), особенности проведения расчетов (применяемые вычислительные методы и процедуры, используемые базы данных по потенциалам и энергиям взаимодействия, используемые количественные приближения и задаваемая точность и т.д.). Файлы формируются либо на ПК пользователей в стандартных текстовых редакторах и загружаются через интерфейс модуля «Тонкий клиент» в «Хранилище данных», либо редактируются непосредственно с помощью интерфейсов «Тонкого клиента» с файлами, уже находящимися в «Хранилище данных» (в качестве шаблонов могут быть использованы данные уже рассчитанных проектов). После формирования исходных данных они сохраняются в «Хранилище данных» в форме составных частей пользовательских проектов в формате иерархических файловых структур либо как объекты баз данных.
  • На основе информации, предоставляемой модулем «Сервер приложений», с помощью внешних интерфейсов «Тонкого клиента» и межмодульных интерфейсов с «Сервером приложений» формируется вычислительное задание для доступного в данный момент вычислительного ресурса. В характеристике задания указывается используемый прикладной пакет (например, VASP), минимальное количество процессорных ядер для расчета, используемая очередь заданий на ресурсе, лимит времени выполнения (если нужно), проект, из которого берутся исходные данные, пользовательские средства доступа (сертификаты, пароли – если требуется) и т.д. Для части ресурсов подобное формирования задания на данном этапе проекта выполняется автоматически внутренними интерфейсами модуля «Сервер приложений».
  • Средствами интерфейсов «Тонкого клиента» через межмодульные связи с «Сервером приложений» происходит запуск сформированного вычислительного задания сполучением уникального ID задания, после чего исследователю доступны средства мониторинга выполнения задания с возможностью его останова и перезапуска.
  • После завершения вычислительного процесса результаты расчетов в форматах выходных файлов передаются обратно на «Сервер приложений» и (при необходимости) проходят постпроцессинг: генерализация, выборка необходимых данных, подготовка вспомогательных файлов для работы с ними в различных пакетах. Вся полученная информация («сырая» и переработанная) направляется в «Хранилище данных» в файловое пространство пользовательского проекта, из которого было запущено задание. Параллельно результирующая информация доступна исследователю через внешние интерфейсы «Тонкого клиента».

После проведения моделирования исследователь проводит оценку успешности вычислительного задания (по выходным данным прикладного пакета: оценка энергий смоделированной наноструктуры, адекватность ее геометрии, соответствие входным требованиям к модели и т.п.). Также средствами визуализации строится визуальное представление геометрии модели, построение энергетических профилей и т.п.). 

В рамках разработки программных модулей вычислительного программно-аппаратного комплекса для моделирования и визуализации абсорбционных и транспортных свойств твердых электролитов и наноструктурированных электродов на основе углерода и кремния были произведены следующие типы работ:

концептуальное проектирование – сбор, анализ и редактирование требований к пользовательским и межмодульным интерфейсам различных уровней;

логическое проектирование – преобразование требований к интерфейсам в иерархию объектно-ориентированных  интерфейсных структур различных уровней;

физическое проектирование – определение особенностей реализации разных типов пользовательских интерфейсов,  методов доступа, межмодульных связей и т. д.;

разработка собственно программного кода модуля;

оптимизация уже существующего программного кода межмодульных и межкомпонентных интерфейсов с учетом вновь созданных возможностей и существующего опыта работы.

Результаты исследования

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. 

7. 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. 

8. 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.

9. Проведено компьютерное моделирование агрегации исходных и литированных наночастиц: формирование мезоструктур на базе исходных кремний-углеродных наночастиц, формирование мезоструктур на базе литированных кремний-углеродных наночастиц.

10. Разработан программный модуль «Сервер приложений». 

11. Проведено исследование по применению программного модуля «Сервер приложений» для проведения квантово-химических и молекулярно-динамических расчетов на высокопроизводительных ресурсах.

12. Разработан программный модуль «Хранилище данных».

13. Проведены исследования по применению  программного модуля «Хранилище данных» для поддержки комплекса вычислительных сервисов и  хранения информации.

14. Проведено компьютерное моделирование структуры контакта поверхностей кремний-углеродных наносистем и твердых электролитов (Li10GeP2S12).

15. Проведено компьютерное моделирование перехода лития через границу электрод - электролит: определение каналов миграции и величин потенциальных барьеров.

16. Проведено компьютерное моделирование воздействия температуры на строение исходных, литированных и делитированных кремний-углеродных наносистем: изучение влияния разогрева и последующего охлаждения на структуру исходных кремний-углеродных наносистем; установление интервала температуры, в пределах которого возможно восстановление первоначального состояния системы.

17. Разработан метод оценки влияния состава электролита на целевые свойства аккумулятора на основе проведенного квантово-химического исследования.

18. Разработан программный модуль «Тонкий клиент».

19. Проведены исследования по применению  программного модуля «Тонкий клиент» для удаленного взаимодействия пользователей с комплексом вычислительных сервисов.

20. Проведено компьютерное моделирование влияния разогрева и последующего охлаждения на композитные мезоструктуры, сформированные из ранее смоделированных литированных и делитированных Si/С наносистем. 

21. Проведена оценка возможности возврата композитных мезоструктур к исходному состоянию после многократных циклов литирования/делитирования в зависимости от степени насыщения литием и температурных условий.

22. Разработана компьютерная модель ионного транспорта в Li-ионных аккумуляторах и батареях.

Практическая значимость исследования
Эффективность проекта определяется тем, что новые наноматериалы на основе углерода и кремния, твердые электролиты и наноструктурированные компоненты ЛИА, смоделированные в ходе проекта, позволят (по оценкам авторов) существенно повысить ряд параметров ЛИА: энергоемкость (до 2,5-3 раз), количество и скорость циклов зарядки, устойчивость к внешним воздействиям при сопоставимой или даже сниженной себестоимости в сравнении с используемыми в настоящее время, что значительно повысит эффективность использования ЛИА и снизит расходы на их производство. Значительно повысится производительность труда исследователей за счет снижения доли рутинных операций в процессе моделирования, вовлечения высокопроизводительных вычислительных ресурсов и возможности существенной детализации создаваемых моделей.