Вчені створили повну модель акумуляторної батареї, деталізовану до рівня окремих атомів
Коли справа стосується розробки нових високотехнологічних і мініатюрних пристроїв самим вузьким місцем в цій справі стають акумуляторні батареї. В даний час це особливо відчувається у сфері виробництва та експлуатації електричних автомобілів, в пристроях резервного акумулювання енергії для енергетичних мереж і, природно, у споживчому мініатюрної електроніці. Для того, щоб відповідати сучасним вимогам, пристрої акумулювання енергії, розвиток яких визначено не встигає за розвитком всіх інших технологій, повинні забезпечувати більшу кількість збереженої енергії при великій кількості циклів заряду-розряду, мати великий показник щільності зберігання енергії і забезпечувати високі динамічні характеристики.
Створення і випробування нових акумуляторних батарей різних типів є важким процесом, що займає досить тривалий час, що робить його дуже дорогим. Тому, для вчених-електрохіміків можливість провести детальне моделювання, перш ніж приступити до практичних експериментів, була би справжнім благом. Але, до останнього часу ще ніхто не був у змозі створити математичну модель акумуляторної батареї, деталізовану до рівня окремих атомів через складність такої моделі і з-за обмежень існуючих засобів математичного моделювання.
Але в даний час все змінилося, завдяки роботі двох німецьких дослідників, Уолфа Деппа (Wolf Dapp) з Інституту математичного моделювання (Institute for Advanced Simulation) і Мартіна Мюзра (Martin Muser) з Саарландского університету (University of Saarlandes). Ці вчені створили повну математичну модель акумуляторної батареї і зробили її розрахунки аж до рівня окремих атомів. Слід зазначити, що згідно з результатами моделювання, властивості "математичної акумуляторної батареї" багато в чому збігаються з властивостями цих акумуляторних батарей з якими ми всі звикли мати справу.
В останні роки фахівці в області інформаційних технологій вже неодноразово створювали моделі акумуляторних батарей, але всі ці моделі працювали на рівні набагато більш великому, ніж рівень окремих атомів, і покладалися на дані і параметри, значення яких були отримані експериментальним шляхом, такі як іонна і електронна провідність, коефіцієнти поширення, щільність струму, електрохімічні потенціали і т.п.
У таких моделей є один серйозний недолік - вони працюють вкрай неточно або не працюють взагалі, коли справа стосується нових матеріалів і їх комбінацій, властивості яких вивчені не до кінця або не вивчені зовсім. І, для того, щоб повністю розрахувати поведінка батареї з нових матеріалів в цілому, електрохіміки повинні проводити моделювання на рівні окремо взятих молекул, іонів і атомів.
Для того, щоб змоделювати батарею в цілому, комп'ютерна модель повинна проводити розрахунки будь-яких змін енергії, хімічних і електрохімічних потенціалів на кожному кроці обчислень. Саме це вдалося реалізувати Дэппу і Мюзру. В їх моделі електрична енергія є змінної, значення якої визначається взаємодією атомів, зв'язків між атомами та іонами на кожній стадії обчислень.
Природно, дослідникам довелося піти на поступки реальності. Математична акумуляторна батарея по складності вельми далека від батареї, яку ви можете дістати зі свого мобільного телефону. Математична модель "нанобатареи" складається всього 358 атомів, з яких 118 атомів припадає на матеріал електродів, катода і анода. Згідно з початковим умовам, катод покритий шаром з 20 атомів речовини електроліту, а в самому електроліті знаходяться всього 39 позитивно заряджених іонів.
Але, незважаючи на таку уявну простоту, ця математична модель потребує для своїх розрахунків неабиякою обчислювальної потужності. Природно, що всі моделювання проводиться в шкалі дискретних одиниць, кроків, а для повного циклу розрахунків потрібно мінімум 10 мільйонів кроків, на кожному з яких здійснюється серія вкрай складних математичних обчислень.
Дослідники повідомляють, що створена ними модель є лише доказом працездатності використаних ними принципів і існує кілька шляхів до поліпшення цієї моделі. В майбутньому вони збираються ускладнити створену ними модель, представивши розчин електроліту як набір частинок, що мають стаціонарний електричний заряд. Це, поряд зі збільшенням кількості атомів у моделі зажадає того, що для розрахунку моделі можуть знадобитися потужності не самого слабкого суперкомп'ютера, але справа того варта, адже такі дослідження можуть привести до створення нових джерел енергії, які зроблять революцію в області портативної електроніки.