Første atomniveausimulering af et helt batteri

Når det kommer til at udvikle den næste generation af teknologi, er den største flaskehals uden tvivl batteriet. Ingeniører har brug for bedre batterier til elektriske køretøjer, til energilagring i elnet og selvfølgelig til elektroniske forbrugere.

Disse batterier skal levere en højere strøm over flere afladningscyklusser med en større energitæthed, for blot at nævne nogle få af udfordringerne.

At bygge og teste nye batteridesign er tidskrævende, vanskeligt og dyrt. Så det er praktisk for elektrokemikere at simulere den måde et batteri yder på, før de nogensinde får deres hænder til at blive snavsede.

Det er tricky. Ingen har været i stand til at simulere et helt batteri på atomniveau på grund af kompleksiteten af ​​de processer, der foregår, og begrænsningerne ved nutidens modelleringsteknikker.

I dag ændrer det sig takket være arbejdet fra Wolf Dapp ved Institut for Avanceret Simulering og Martin Muser ved Saarlandes Universitet, begge i Tyskland. Disse fyre har simuleret opførselen af ​​et helt batteri på atomskalaen. Og deres simulering gengiver mange af de virkelige egenskaber ved et batteri fra første principper for første gang.

I de senere år har dataloger gjort betydelige fremskridt med at simulere forskellige aspekter af batteriadfærd. Disse modeller fungerer på mesoskalaen - mindre end elektroderne, men større end molekylerne. Simuleringerne er afhængige af eksperimentelle data til at modellere ting som ionisk og elektronisk ledningsevne, diffusionskoefficienter, strømtætheder, elektrokemiske potentialer og så videre.

Disse modeller har en alvorlig ulempe - de har ringe forudsigelsesevne, når det kommer til nye materialer eller kombinationer af materialer, for hvilke der ikke er tilgængelige eksperimentelle data. For at forudsige nye materialers opførsel skal elektrokemikere modellere batterier på skalaen af ​​atomer og molekyler.

Det er svært, fordi de teknikker, dataloger bruger til at simulere adfærden af ​​atomer og molekyler, ikke er egnede til batterier. Disse simuleringer er designet til systemer, der er i ligevægt eller tæt på det. De virker ved at udligne det kemiske potentiale eller minimere systemets energi. Forskellen i det kemiske potentiale mellem to elektroder er dog netop det, der driver ladningstransporten i et batteri, siger Dapp og Muser.

Så for at modellere et batteri som helhed, skal computermodellen tage højde for enhver ændring i energi eller kemisk potentiale ved hvert trin i beregningen. Det er præcis, hvad Dapp og Muser har gjort. I deres model er ladning en variabel, der kan udveksles mellem atomer og på tværs af bindinger på hvert trin af beregningen.

De resulterende simuleringer er små, men imponerende. Deres nanobatteri består af 358 atomer, hvoraf 118 udgør elektroderne. Katoden er indledningsvis dækket af et lag på 20 atomer med 39 positivt ioniserede atomer opløst i elektrolytten.

Beregningen fortsætter derefter i trin, hvor atomer kan bevæge sig og udveksle ladning, efterhånden som systemet udvikler sig. Hele simuleringen består af omkring 10 millioner af disse trin.

Resultaterne er bemærkelsesværdige, fordi de faktisk gengiver de generiske afladningskurver for rigtige makroskopiske batterier. For eksempel reducerer en lavere driftstemperatur den effektive kapacitet af det simulerede batteri. Og vigtigst af alt, simuleringen gengiver den måde, almindelige batterier slides på. Ved genopladning forringes batteriets ydeevne en smule, og elektrodeoverflademorfologien ændrer sig under batteriets drift, siger Dapp og Muser.

Disse fyre siger, at arbejdet på dette stadium blot er en proof-of-principle-model, og at der er forskellige måder, hvorpå det kan forbedres i fremtiden. For eksempel modellerer de elektrolytten ved hjælp af partikler, der har en fast ladning og derfor ikke kan udveksle den.

Sådan fungerer elektrolytter ikke i rigtige batterier, og det er derfor en vigtig mangel ved den nye metode. Men Dapp og Muser agter at rette op på dette. Denne idealisering vil blive opgivet i det fremtidige arbejde, siger de.

Samlet set ser dette ud til at være vigtigt arbejde. Denne type model kunne dramatisk forbedre forudsigelseskraften af ​​batterisimuleringer og derved hjælpe med at spare elektrokemikere betydelig tid, energi og penge, før de begynder detaljerede eksperimenter.

Slutresultatet burde være bedre batterier, men der er lang vej igen før da.

Ref: arxiv.org/abs/1308.3424 : Redox-reaktioner med empiriske potentialer: Atomistiske batteriafladningssimuleringer

skjule