Ученые из МФТИ и ОИВТ РАН показали, как корректно рассчитывать эффективность аккумуляторов из новых материалов методом компьютерного моделирования. Они предложили теоретическую модель взаимодействия проводящих ионов с окружающим растворителем и электродом. Методику можно использовать для поиска оптимальных растворителей и точного расчета характеристик аккумуляторов.
Работа опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics. Исследование было поддержано Российским научным фондом. Литий-ионные аккумуляторы применяются в большинстве современных электронных устройств. Они долговечны, медленно разряжаются при простое и не требуют обслуживания. Однако литий — металл редкий и относительно дорогой, поэтому ученые тестируют в качестве альтернативного переносчика заряда ионы магния и кальция.
Экспериментальные результаты подтверждают компьютерным моделированием, чтобы более детально измерить характеристики и подобрать материалы для аккумулятора. При этом некоторые параметры моделей выбираются из общих соображений, что может существенно влиять на физические свойства аккумулятора. Особенно это актуально при замене иона лития +1, на магний и кальций с положительным зарядом +2.
Физики из МФТИ проанализировали последние публикации про магний-ионные батареи в научных журналах и обнаружили, что в них неаккуратно учитывается дальнее взаимодействие зарядов. Ученые предложили более корректную модель, которая лучше описывает экспериментальные данные, провели симуляции и получили хорошее согласие с экспериментом.
Максим Орехов, сотрудник лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ, рассказывает: «Один из трендов в области аккумуляторов — это уйти от лития к другим, более распространенным и дешевым металлам. Наша работа теоретическая, про 2-валентные ионы, конкретно про магний. Мы выяснили, что квантово-механические расчеты очень чувствительны к дальнодействующему взаимодействию».
Для расчетов используется следующая система. Ион магния окружен двумя типами молекул растворителя: 3-метоксипропиламином и 1-метокси-2-пропиламином, которые изолируют его от остальных соединений. Все вещество вне оболочки считается в приближении единой средой с заданными электрическими свойствами — в частности, с усредненной диэлектрической проницаемостью. Проводятся два расчета: когда магний имеет заряд +1 — на нем есть электрон — и +2 — когда электрон перешел на электрод или в растворитель. Разница энергий системы в этих двух случаях показывает, насколько легко переносится электрон, а значит, насколько быстро происходит зарядка аккумулятора.
Оказалось, что величина диэлектрической проницаемости очень сильно влияет на энергию переноса, хотя во многих исследованиях она подбиралась из общих соображений. Для ионов магния этот эффект гораздо значительнее, чем в литии, поскольку они имеют в два раза больший заряд.
Также ученые проанализировали взаимодействие иона и оболочки с электродом. Они предложили метод учета пассивации электрода — процесса роста слоя из продуктов распада химических реакций на его поверхности. Этот слой имеет конечную диэлектрическую проницаемость и затрудняет перенос электрона, что приводит к падению эффективности аккумулятора. Симуляции методом функционала плотности совпали с экспериментальными данными.
Таким образом, физики продемонстрировали важность аккуратного учета взаимодействия иона не только с оболочкой, но и с окружающей средой. Эти результаты помогут в поиске новых материалов для аккумуляторов, в частности, растворителей.
Иван Бакулин, сотрудник лаборатории многомасштабного моделирования в физике мягкой материи МФТИ, поясняет: «Мы показали, что нужно аккуратно учитывать дальнодействие: выбирать диэлектрическую проницаемость и параметры модели поляризованного континуума для расчетов методом функционала плотности. Учитывать взаимодействие с электродом. Работа сделана с прицелом на то, чтобы потом сделать скрининг — перебрать множество молекул возможных растворителей, а таких молекул больше сотни. Растворители подбираются так, чтобы емкость “не падала” после многих циклов работы. Благодаря скринингу мы сможем понять, какие из них лучше для аккумулятора, и сделаем эксперимент».