Ученый из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли) Кристин Перссон, соучредитель и руководитель проекта Materials Project, использует суперкомпьютеры для расчета свойств материалов на основе первых принципов квантово-механических структур. Он был запущен в 2011 году Управлением науки Министерства энергетики США.
В 2012 году Министерство энергетики создало Объединенный центр исследований в области аккумулирования энергии (JCESR), центр инноваций Министерства энергетики в области энергетики, который значительно расширил проект «Материалы» за счет нового моделирования электродов аккумуляторных батарей и жидких органических электролитов нового поколения.«Огромный объем точных данных, выпущенных в рамках проекта« Материалы », окажет глубокое и долговременное влияние на сообщество исследователей аккумуляторов, — сказал директор JCESR Джордж Крэбтри. «Это отличный пример того, как Berkeley Lab и другие партнеры JCESR делятся научными знаниями для продвижения научных достижений».Идея, лежащая в основе проекта «Материалы», заключается в том, что он может сэкономить время исследователей за счет прогнозирования свойств материалов без необходимости сначала синтезировать материалы в лаборатории.
Это также может предложить новые материалы-кандидаты, о которых экспериментаторы раньше не мечтали. С помощью удобного веб-интерфейса пользователи могут просматривать рассчитанные свойства, такие как напряжение, емкость, запрещенная зона и плотность, для десятков тысяч материалов.
В выпуск данных включены два новых приложенияВ прошлом месяце были опубликованы два набора данных: около 1500 соединений, исследованных для многовалентных интеркаляционных электродов, и более 21000 органических молекул, относящихся к жидким электролитам, а также множество других исследовательских приложений.
Батареи с многовалентными катодами (которые имеют несколько электронов на каждый подвижный ион, доступный для переноса заряда) являются многообещающими кандидатами для снижения стоимости и достижения более высокой плотности энергии, чем те, которые доступны с современной литий-ионной технологией.По словам Перссона, профессора факультета материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли, объем и объем данных беспрецедентны. «Что касается поливалентных катодов, ничего подобного в мире не существует», — сказала она. «Чтобы дать вам представление, экспериментаторы обычно могут сосредоточиться на одном из этих материалов за раз.
Используя расчеты, мы добавили данные о 1500 различных композициях».В то время как другие исследовательские группы сделали свои данные общедоступными, то, что делает проект материалов таким полезным, — это онлайн-инструменты для поиска всех этих данных.
Последний выпуск включает в себя два новых веб-приложения — Molecules Explorer и Redox Flow Battery Dashboard — плюс надстройку к веб-приложению Battery Explorer, позволяющую исследователям работать с другими ионами в дополнение к литию.«Мы не только бесплатно предоставляем данные, мы также даем алгоритмы и программное обеспечение для интерпретации или поиска данных», — сказал Перссон.Приложение Redox Flow Battery предоставляет как научные, так и технико-экономические параметры, поэтому разработчики аккумуляторов могут быстро исключить молекулу, которая могла бы работать хорошо, но быть чрезмерно дорогой. Приложение Molecules Explorer будет полезно исследователям, выходящим далеко за пределы сообщества разработчиков батарей.
«Для мультивалентных батарей очень сложно получить хорошие экспериментальные данные», — сказал Перссон. «Расчеты предоставляют богатые и надежные эталоны для оценки того, действительно ли эксперименты измеряют действительный процесс интеркаляции или побочную реакцию, что особенно сложно для технологии мультивалентной энергетики, потому что существует так много проблем с тестированием этих батарей».Новые данные привели к новому открытиюВместе с Перссоном, ученым из лаборатории Беркли Гербрандом Седером, научным сотрудником докторантуры Мяо Лю и аспирантом Массачусетского технологического института Цицин Ронг команда проекта материалов подробно исследовала некоторые из наиболее многообещающих материалов на предмет высокой подвижности мультивалентных ионов, что является наиболее труднодостижимым свойством. эти катоды.
Это привело команду к материалам, известным как тиошпинели. Одна из этих тиошпинелей имеет удвоенную емкость по сравнению с известными в настоящее время поливалентными катодами и была недавно синтезирована и протестирована в лаборатории исследователем JCESR Линдой Назар из Университета Ватерлоо, Канада.
«Эти материалы могут не работать с первого раза, — сказал Перссон. «Вы должны быть настойчивыми; например, вам, возможно, придется сделать материал очень фазово-чистым или меньше определенного размера частиц, и вам придется испытать их в строго контролируемых условиях. Есть люди, которые действительно пробовали этот материал раньше и отказались от него потому что они думали, что это не сработало особенно хорошо. Сила вычислений и проектных метрик, которые мы обнаружили с их помощью, заключается в том, что они вселяют в нас уверенность в том, что мы можем продолжать попытки ».Исследователи смогли удвоить энергоемкость по сравнению с тем, что было ранее достигнуто для такого типа мультивалентных батарей.
Исследование опубликовано в журнале Energy. Наука об окружающей среде в статье под названием «Катод из тиошпинеля большой емкости для магниевых батарей».
«Новая мультивалентная батарея работает действительно хорошо, — сказал Перссон. «Это значительный прогресс и отличное доказательство правильности концепции вычислительных прогнозов как ценный новый инструмент для исследования аккумуляторов».Растет каждый день
С момента запуска пять лет назад проект Materials Project привлек более 20 000 пользователей. Ежедневно регистрируется около 20 новых пользователей и от 300 до 400 человек входят в систему, чтобы проводить исследования.Одним из таких пользователей является Дэйн Морган, профессор инженерных наук Университета Висконсин-Мэдисон, который разрабатывает новые материалы для широкого спектра применений, включая высокоактивные катализаторы для топливных элементов, стабильные катоды-эмиттеры электронов с низкой работой выхода для мощных двигателей. микроволновые устройства, а также эффективные, недорогие и экологически безопасные солнечные материалы.«Проект« Материалы »позволил мне провести одни из самых интересных исследований в моей группе», — сказал Морган. «Предоставляя легкий доступ к огромной базе данных, а также к инструментам для обработки этих данных для термодинамических прогнозов, проект Materials Project позволил моей группе быстро приступить к проектам по разработке материалов, которые были бы непосильными всего несколько лет назад».
Каждый день рассчитывается и добавляется в базу данных все больше материалов. Через два года Перссон ожидает, что общественности будет опубликована еще одна масса данных.
«Это способ охватить значительную часть исследовательского сообщества, охватить студентов, которые еще изучают материаловедение», — сказала она. «Это обучающий инструмент. Это научный инструмент. Это беспрецедентно».
Кластеры суперкомпьютеров в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований (NERSC), центре научных исследований Министерства энергетики США, размещенном в лаборатории Беркли, обеспечивают инфраструктуру для проекта материалов.