КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 19-73-10026

НазваниеТеория, методы моделирования и направленный поиск новых высоковалентных ионных проводников методами кристаллохимического анализа и квантово-механического моделирования

РуководительКабанов Артем Анатольевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет", Самарская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2019 - 06.2022

, продлен на 07.2022 - 06.2024. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-706 - Высокопроизводительные вычисления в химическом моделировании

Ключевые словаВысоковалентные ионные проводники, кристаллохимический анализ, квантово-механическое моделирование, диффузия, анализ больших данных, металл-ионные аккумуляторы, перезаряжаемые источники энергии, новые материалы, проектирование новых материалов.

Код ГРНТИ31.15.19

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Область металл-ионных аккумуляторов вызывает огромный интерес в научном сообществе: ежегодно в профильных журналах публикуется несколько тысяч статей по исследованию возможности применения различных материалов в качестве компонентов аккумуляторов (в 2018 было опубликовано свыше 4000 статей по данным системы Scopus), и организуются десятки международных конференций. Высокий интерес связан с растущими потребностями в мощных мобильных источниках энергии для перспективных технологий, таких как электромобили и разнообразные автономные устройства. В начале 90-х годов XX века литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) произвели технологическую революцию и открыли эпоху мобильных устройств, кардинально изменив нашу жизнь. Литий-ионные аккумуляторы нашли широкое применение в разнообразной электронике, однако они имеют ряд существенных недостатков, таких как высокая стоимость, пожароопасность и пр. Еще одна проблема заключается в отсутствии значительных и доступных ресурсов лития для крупномасштабного производства ЛИА, например для индустрии электромобилей, свидетелями зарождения которой мы являемся. Таким образом, существует необходимость создания новых, дешевых и надежных систем хранения энергии (СХЭ). Среди наиболее перспективных кандидатов - новые типы металл-ионных аккумуляторов и твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ). В области металл-ионных аккумуляторов возможны два основных варианта развития: (i) аккумуляторы, которые используют одновалентные рабочие ионы (например, щелочные металлы - натрий или калий); такие батареи имеют несколько преимуществ по сравнению с ЛИА: низкая стоимость и безопасность, но у них низкая плотность хранения энергии; (ii) аккумуляторы с высоковалентными рабочими ионами (такими как магний, кальций или алюминий, например); такие аккумуляторы должны быть значительно дешевле ЛИА и иметь высокую плотность хранения энергии; данный тип аккумуляторов имеет хорошие перспективны. С другой стороны, ТОТЭ обеспечивают хорошую альтернативу металл-ионным аккумуляторам, особенно для крупномасштабных систем хранения энергии и электромобилей. В любом случае, ключевым элементом металл-ионных аккумуляторов или ТОТЭ являются материалы, способные осуществлять ионную проводимость - высоковалентные ионные проводники (ВИП). Именно по этой причине исследование новых ион-проводящих материалов важно как для фундаментальной науки, так и для будущих технологий. Проект посвящен изучению возможных механизмов ионной проводимости в кристаллах, формулировке закономерностей, определяющих ионную проводимость, и поиску на их основе новых перспективных ВИП. Для достижения этой цели мы разработаем новые гибридные алгоритмы и методы для прогнозирования высоковалентных ионных проводников, основанные на совместном использовании геометрико-топологических методов быстрого скрининга кристаллографических баз данных и квантовомеханического моделирования ион-проводящих свойств. Алгоритмы будут использовать, в том числе, установленную нами ранее взаимосвязь между геометрией и топологией систем каналов в катионных или анионных подрешётках структур и характеристиками ионной проводимости веществ. Разработанные нами ранее методы анализа свободного пространства кристаллических структур будут модифицированы для исследования свободного пространства в ВИП. Методами квантово-механического моделирования будут рассчитаны значения энергии активации диффузии и образования дефектов/вакансий, а с помощью молекулярно-динамического моделирования будет оценена кинетика процесса (будут получены коэффициенты диффузии). Будет проведён анализ взаимосвязей “химический состав - структура – ион-проводящие свойства” и выработаны закономерности (корреляции) для прогнозирования новых ВИП без проведения ресурсоемких вычислений. Разработанные гибридные методы будут универсальны и применимы к любым типам ВИП, как катионным, так и анионным. В проекте предлагается использовать комплексный подход к анализу данных, включая высокопроизводительный скрининг баз данных, интеллектуальный анализ данных, корреляционный анализ структурных характеристик и физических свойств соединений, а также использование методов машинного обучения. Проект соответствует современным тенденциям в теоретическом материаловедении, когда с помощью какой-либо интеллектуальной программ(ы) данные могут быть отображены, отсортированы, проанализированы и сохранены как часть так называемых "больших данных" (англ. "Big Data"). Результатом работы с большими данными как правило является набор правил, базирующийся на большом статистическом материале и позволяющий прогнозировать новые, ранее неизвестные материалы или их свойства. Используя новые алгоритмы и методы, будут решены следующие основные задачи: (i) высокопроизводительный кристаллохимический анализ одной из крупнейших структурных баз данных ICSD и выбор потенциально перспективных высоковалентных ионных проводников (для ионов Be2+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Al3+, Zn2+ и O2-); результаты будут организованы в виде открытой базы данных, доступной через Интернет по адресу http://batterymaterials.info; (ii) методами компьютерного моделирования рассчитаны коэффициенты диффузии и значения энергии активации диффузии для наиболее перспективных соединений (с использованием теории функционала плотности (DFT), метода валентных усилий (BVEL), молекулярной динамики (MD)); результаты будут внесены в базу данных; (iii) моделирование возможных механизмов увеличения ионной проводимости, например методом легирования известных веществ; (iv) поиск возможных корреляций между геометрико-топологическими параметрами кристаллических структур и их ионно-проводящими свойствами; определение характеристических параметров (или их комбинаций) структуры, так называемых структурных дескрипторов, описывающих особенности геометрии, химического состава, распределения электронной плотности и пр. Дескрипторы будут использованы для всестороннего корреляционного анализа, чтобы найти основополагающие характеристики структур с высокой ионной проводимостью. Работоспособность дескрипторов будет проверена с использованием набора уже известных высоковалентных ионных проводников. Разработка и использование специальных дескрипторов для быстрой идентификации возможных ВИП не будет иметь мировых аналогов. Обычно поиск новых перспективных ионных проводников является случайным и основан на изучении известных структурных типов или некоторых модификаций существующих ионных проводников. Мы предлагаем более комплексную и последовательную стратегию: используя указанные выше методы и подходы мы обеспечим автоматический поиск всех возможных ионных проводников среди известных неорганических структур, собранных в кристаллографических базах данных. Такой обширный поиск различных типов высоковалентных ионных проводников будет реализован впервые в мире. Характеристики ионной проводимости найденных ВИП будут проверены с использованием современных вычислительных методов, а наиболее перспективные соединения будут подробно изучены. Соединения, которые имеют электрохимически активные элементы (такие как переходные металлы), будут охарактеризованы как возможные электродные материалы – рассчитана их теоретическая емкость и электродный потенциал. Все полученные результаты проекта будут доступны через веб-сервисы и опубликованы.

Ожидаемые результаты
Будут получены следующие основные результаты: 1) Будут разработаны новые гибридные алгоритмы для прогнозирования высоковалентной ионной проводимости в твердых телах. Алгоритмы будут универсальны, что позволит использовать их для поиска различных типов высоковалентных ионных проводников. 2) Будут созданы базы данных потенциально перспективных высоковалентных ионных проводников (для ионов Be2 +, Mg2 +, Ca2 +, Sr2 +, Al3 +, Zn2 + и O2-). Все соединения будут проверены на соответствие критериям ионной проводимости методами топологического анализа. Открытая, общедоступная база данных высоковалентных ионных проводников будет реализована впервые. 3) Впервые будут рассчитаны точные характеристики ионной диффузии для ряда перспективных соединений для каждого типа рабочего иона. Для этого подмножество наиболее перспективных соединений будет выбрано из созданной базы данных (пункт 2) методами топологического анализа по критерию оптимального размера полостей и каналов, BVEL, а также на основании экономических параметров – стоимости и доступности материалов. Ионная проводимость для выбранного подмножества будет количественно охарактеризована с помощью DFT методов. Будут рассчитаны величины энергии активации диффузии, коэффициенты диффузии, электронная проводимость, а также теоретическая емкость и электродный потенциал для катодных материалов. Чтобы уменьшить количество вычислений и избежать повторений, мы будем использовать доступные результаты из существующих вычислительных баз данных (Materials Project, AFLOW, NOMAD и т.д.). Результаты расчетов будут добавлены в создаваемую базу данных (п. 2). 4) Будет разработан набор дескрипторов для идентификации возможных ВИП. Дескрипторы свяжут геометрические, химические и физические характеристики материалов, такие как химический состав, объем свободного пространства, значения барьеров активации диффузии. Работоспособность дескрипторов будет проверена с использованием набора уже известных высоковалентных ионных проводников. Дескрипторы такого типа будут разработаны впервые. 5) Будут предложены способы повышения ионной проводимости для ряда известных ионных проводников путём модификации структуры исходного вещества (например, легирование или интеркалирование в углеродную матрицу). Для этого, основываясь на подходах машинного обучения и структурно-топологических дескрипторах (в качестве регрессоров), мы продемонстрируем, как различные типы структурных модификаций влияют на ионную проводимость в твердых телах. С этой целью будет использовано численное моделирование для композиционных / конфигурационных пространств исследуемых материалов. Результаты будут преобразованы в набор правил, по которым можно модифицировать структуры известных веществ.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---