The Materials Project, una base de datos de propiedades de materiales similar a Google destinada a acelerar la innovación, ha publicado una enorme cantidad de datos al público, dando a los científicos que trabajan en celdas de combustible, energía fotovoltaica, termoeléctrica y una gran cantidad de otros materiales avanzados un poderosoherramienta para explorar nuevas vías de investigación. Pero se ha convertido en un recurso particularmente importante para los investigadores que trabajan con baterías.
Cofundada y dirigida por el científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab Kristin Persson, el Proyecto de Materiales utiliza supercomputadoras para calcular las propiedades de los materiales basados en marcos de mecánica cuántica de primeros principios. Fue lanzado en 2011 por el Departamento de EE. UU.de la Oficina de Ciencia de la Energía DOE.
En 2012, el DOE estableció el Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía JCESR, un Centro de Innovación Energética del DOE, que mejoró significativamente el Proyecto de Materiales con nuevas simulaciones de electrodos de batería de próxima generación y electrolitos orgánicos líquidos.
"Esta cantidad masiva de datos precisos lanzados a través del Proyecto de Materiales tendrá un impacto profundo y duradero en la comunidad de investigación de baterías", dijo el Director de JCESR, George Crabtree. "Este es un gran ejemplo de la forma en que Berkeley Lab y otros socios de JCESR compartenconocimiento científico para avanzar en la frontera científica "
La idea detrás del Proyecto Materiales es que puede ahorrar tiempo a los investigadores al predecir las propiedades de los materiales sin necesidad de sintetizar los materiales primero en el laboratorio. También puede sugerir nuevos materiales candidatos que los experimentadores no habían soñado previamente.interfaz web, los usuarios pueden buscar las propiedades calculadas, como el voltaje, la capacidad, el intervalo de banda y la densidad, para decenas de miles de materiales.
El lanzamiento de datos incluye dos nuevas aplicaciones
Se publicaron dos conjuntos de datos el mes pasado: casi 1,500 compuestos investigados para electrodos de intercalación multivalentes y más de 21,000 moléculas orgánicas relevantes para electrolitos líquidos, así como una serie de otras aplicaciones de investigación. Baterías con cátodos multivalentes que tienen múltiples electrones por móviliones disponibles para transferencia de carga son candidatos prometedores para reducir costos y lograr una mayor densidad de energía que la disponible con la tecnología actual de iones de litio.
El gran volumen y alcance de los datos no tiene precedentes, dijo Persson, quien también es profesora en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Berkeley. "En cuanto a los cátodos multivalentes, no existe nada similar en el mundo", dijo."Para darle una idea, los experimentadores generalmente pueden enfocarse en uno de estos materiales a la vez. Usando cálculos, hemos agregado datos sobre 1,500 composiciones diferentes".
Si bien otros grupos de investigación han hecho públicos sus datos, lo que hace que el Proyecto Materiales sea tan útil son las herramientas en línea para buscar todos esos datos. El lanzamiento reciente incluye dos nuevas aplicaciones web: Molecules Explorer y Redox Flow Battery Dashboard--más un complemento a la aplicación web Battery Explorer que permite a los investigadores trabajar con otros iones además del litio.
"No solo damos los datos libremente, también damos algoritmos y software para interpretar o buscar en los datos", dijo Persson.
La aplicación Redox Flow Battery proporciona parámetros científicos y tecnológicos, por lo que los diseñadores de baterías pueden descartar rápidamente una molécula que podría funcionar bien pero que es prohibitivamente costosa. La aplicación Molecules Explorer será útil para los investigadores más allá de la comunidad de baterías.
"Para las baterías multivalentes es muy difícil obtener buenos datos experimentales", dijo Persson. "Los cálculos proporcionan puntos de referencia ricos y sólidos para evaluar si los experimentos realmente miden un proceso de intercalación válido o una reacción secundaria, lo cual es particularmente difícil para los multivalentestecnología energética porque hay tantos problemas al probar estas baterías "
Nuevos datos han llevado a un nuevo descubrimiento
Junto con Persson, el científico de Berkeley Lab, Gerbrand Ceder, la asociada posdoctoral Miao Liu y el estudiante graduado del MIT Ziqin Rong, el equipo del Proyecto de Materiales investigó en detalle algunos de los materiales más prometedores para la alta movilidad de iones multivalentes, que es la propiedad más difícil de conseguir.lograr en estos cátodos. Esto llevó al equipo a materiales conocidos como thiospinels. Uno de estos thiospinels tiene el doble de capacidad que los cátodos multivalentes conocidos actualmente y recientemente fue sintetizado y probado en el laboratorio por la investigadora de JCESR Linda Nazar de la Universidad de Waterloo, Canadá.
"Es posible que estos materiales no funcionen bien la primera vez que los haga", dijo Persson. "Debe ser persistente; por ejemplo, puede que tenga que hacer que el material sea muy puro en fase o más pequeño que un tamaño de partícula particular y debepruébelos bajo condiciones muy controladas. Hay personas que realmente han probado este material antes y lo descartaron porque pensaron que no funcionaba particularmente bien. El poder de los cálculos y las métricas de diseño que hemos descubierto con su ayuda es que danosotros la confianza para seguir intentándolo "
Los investigadores pudieron duplicar la capacidad energética de lo que se había logrado previamente para este tipo de batería multivalente. El estudio ha sido publicado en la revista Energía y ciencias ambientales en un artículo titulado, "Un cátodo de tiospinel de alta capacidad para baterías de Mg"
"La nueva batería multivalente funciona realmente bien", dijo Persson. "Es un avance significativo y una excelente prueba de concepto para las predicciones computacionales como una nueva herramienta valiosa para la investigación de la batería".
creciendo todos los días
El Proyecto Materiales ha atraído a más de 20,000 usuarios desde su lanzamiento hace cinco años. Todos los días se registran unos 20 nuevos usuarios y entre 300 y 400 personas inician sesión para realizar investigaciones.
Uno de esos usuarios es Dane Morgan, profesor de ingeniería en la Universidad de Wisconsin-Madison, que desarrolla nuevos materiales para una amplia gama de aplicaciones, incluidos catalizadores altamente activos para celdas de combustible, cátodos estables de emisores de electrones con baja función de trabajo para altasdispositivos de microondas alimentados y materiales solares eficientes, económicos y seguros para el medio ambiente.
"El Proyecto de Materiales ha permitido algunas de las investigaciones más interesantes de mi grupo", dijo Morgan. "Al proporcionar un fácil acceso a una gran base de datos, así como a herramientas para procesar esos datos para predicciones termodinámicas, el Proyecto de Materiales ha permitido migrupo para asumir rápidamente proyectos de diseño de materiales que habrían sido prohibitivos hace solo unos años "
Se calculan más materiales y se agregan a la base de datos todos los días. En dos años, Persson espera que se publique otro tesoro de datos al público.
"Esta es la forma de llegar a una parte importante de la comunidad de investigación, llegar a los estudiantes mientras todavía están aprendiendo ciencias materiales", dijo. "Es una herramienta de enseñanza. Es una herramienta de ciencia. No tiene precedentes".
Los clústeres de supercomputación en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética NERSC, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE alojada en Berkeley Lab, proporcionan la infraestructura para el Proyecto de Materiales.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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