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

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 проекта 19-73-10026

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

Руководитель Кабанов Артем Анатольевич, Кандидат физико-математических наук

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

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 слова Высоковалентные 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

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Еремин Р.А., Золотарев П.Н., Голов А.А., Некрасова Н.А., Ляйзеганг Т. Ionic Transport in Doped Solid Electrolytes by Means of DFT Modeling and ML Approaches: A Case Study of Ti-Doped KFeO2 The Journal of Physical Chemistry C, 123 (49), 29533-29542 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.jpcc.9b07535

2. Проскурнина Н.В., Воронин В.И., Шехтман Г.Ш., Кабанова Н.А. Crystal structure of NaFeO2 and NaAlO2 and their correlation with ionic conductivity Ionics (год публикации - 2020)
10.1007/s11581-019-03387-6

3. Д.О. Семыкина, И.В. Яковлев, О.Б. Лапина, А.А. Кабанов, Н.В. Косова Crystal structure and migration paths of alkaline ions in NaVPO4F Physical Chemistry Chemical Physics, Phys.Chem.Chem.Phys., 2020, 22, 15876 (год публикации - 2020)
10.1039/D0CP02204G

4. Гулино В., Вольчик А., Голов А. А., Еремин Р.А., Паламбо М., Нерви К., Блатов В.А., Прозерпио Д.М., Барикко М. Combined DFT and geometrical – topological analysis of Li-ion conductivity in complex hydrides Inorganic Chemistry Frontiers, Inorg. Chem. Front. , 2020, 7 , 3115 (год публикации - 2020)
10.1039/D0QI00577K

5. Егорова А.В., Белова К.Г., Анимица И.Е., Морхова Е.А., Кабанов А.А. Effect of zinc doping on electrical properties of LaAlO 3 perovskite Chimica Techno Acta, Chimica Techno Acta, 8(1) No 20218103 (год публикации - 2021)
10.15826/chimtech.2021.8.1.03

6. Кабанов А.А., Морхова Е.А., Кабанова Н.А. Pathfinder toolkit for analysis of ion migration pathways in solids ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И НАНОТЕХНОЛОГИИ (ИТНТ-2020) Сборник трудов по материалам VI Международной конференции и молодежной школы. В 4-х томах. Под редакцией В.А. Фурсова. 2020, Сборник трудов по материалам VI Международной конференции и молодежной школы. В 4-х томах. Под редакцией В.А. Фурсова (2020), 861-863 (год публикации - 2020)

7. Морхова Е.А., КабановА.А., Блатов В.А., Ляйзеганг Т., Ротенбергер М. Комбинирование кристаллохимического и квантово-химического методов для поиска Zn2+-ионных проводников Труды 15го международного совещания "Фундаментальные проблемы ионики твердого тела", стр. 191 (год публикации - 2020)

8. Морхова Е.А., Ротенбергер М., Ляйзеганг Т., Адамс Ш., Блатов В.А., Кабанов А.А. Computational Search for Novel Zn-Ion Conductors—A Crystallochemical, Bond Valence, and Density Functional Study The Journal of Physical Chemistry C, 125, 32, 17590–17599 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.jpcc.1c02984

9. Егорова А.В., Морхова Е.А., Кабанов А.А., Белова К.Г., Анимица И.Е., Блатов В.А., Пименов А.А., Корона Д.В. Oxygen ionic transport in LaInO3 and LaIn0. 5Zn0. 5O2. 75 perovskites: Theory and experiment Solid State Ionics, 372, 115790 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ssi.2021.115790

10. Ильина Е.А., Люлин Е.Д., Кабанов А.А. Structure and lithium-ion conductivity investigation of the Li7-xLa3Zr2-xTaxO12 solid electrolytes Journal of Physics: Conference Series, 1967(1), 012011 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1967/1/012011

11. Морхова Е.А., Кабанов А.А., Ляйзеганг Т. The theoretical evaluation of new promising solid ion conductors for zinc-ion batteries Journal of Physics: Conference Series, 1967(1), 012059 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1967/1/012059

12. Ильина Е., Лялин Е., Власов М., Кабанов А., Охотников К., Шерстобитова Е., Зобель М. Structural Features and the Li-Ion Diffusion Mechanism in Tantalum-Doped Li7La3Zr2O12 Solid Electrolytes ACS Applied Energy Materials, 5, 3, 2959–2967 (2022) (год публикации - 2022)
10.1021/acsaem.1c03632

Публикации