Desde que el físico italiano Alessandro Volta inventó la primera batería de una pila de discos de cobre y zinc separados por cartón humedecido, los científicos han estado buscando mejores materiales de batería.
Las baterías de iones de litio, que son más livianas, duraderas y funcionales en un rango de temperaturas más amplio que las baterías estándar, alimentan todo, desde teléfonos celulares hasta portaaviones y automóviles eléctricos. Su uso ubicuo hace que su estabilidad, eficiencia y seguridadimportante para empresas y consumidores por igual.
Sin embargo, uno de los principales desafíos que enfrentan los investigadores al lidiar con los componentes de la batería es encontrar materiales novedosos y no inflamables para el electrolito. El electrolito es el componente crucial de la batería que transporta iones de litio durante la carga y descarga, transfiriendo la energía que permite la bateríaAhora, los científicos están buscando electrolitos que no solo sean estables sino también conductores de iones de litio, una propiedad que las baterías de iones de litio requieren para mantener la eficiencia durante los ciclos de carga.
Un equipo dirigido por Thomas Miller del Instituto de Tecnología de California Caltech utilizó la supercomputadora Cray XK7 Titan en el Laboratorio Nacional Oak Ridge ORNL del Departamento de Energía de los Estados Unidos DOE para identificar posibles materiales electrolíticos y predecir cuáles podrían mejorarrendimiento de las baterías de iones de litio. Utilizando Titan, los investigadores realizaron cientos de simulaciones, cada una compuesta por miles de átomos, sobre posibles nuevos electrolitos. El trabajo los llevó a la identificación de nuevos electrolitos con propiedades prometedoras para la conducción de iones de litio.
Miller, profesor de química en Caltech y el investigador principal del proyecto, dijo que una supercomputadora de clase de liderazgo era esencial para cumplir con los objetivos del proyecto porque las simulaciones se ejecutaron en escalas de tiempo que iban desde un femtosegundo una cuadrillonésima de segundo hacia arribaa un microsegundo una millonésima de segundo, que abarca nueve órdenes de magnitud. "Estos cálculos son extremadamente exigentes en términos de recursos computacionales", dijo. "Estamos tratando, desde una perspectiva molecular, sistemas muy grandes y"El equipo dijo que el equipo necesitaba describir rápidamente materiales complejos para filtrar a través de múltiples electrolitos candidatos. Afortunadamente, Titán - parte del Centro de Computación de Liderazgo de Oak Ridge OLCF, un Centro de Usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE ubicado en ORNL - habilitadoellos para hacer exactamente eso.
electrodos, electrones y electrolitos
Todas las baterías contienen un electrolito, un líquido o sólido que aísla el flujo de electrones pero promueve el flujo de iones entre el ánodo y el cátodo, que son los dos electrodos que conducen la corriente eléctrica. Los electrones dentro de la batería se mueven a través de un circuitola batería y alimenta un dispositivo camino al cátodo, el electrodo positivo de la batería. Cuando los electrones salen del ánodo, los iones cargados positivamente los iones de litio se mueven a través del electrolito hacia el cátodo. Este proceso continúa hasta que los reactivos se agotanlo que significa que la batería pierde su carga o el circuito se desconecta.
En las baterías recargables, el ciclo puede invertirse, con los iones de litio difundiéndose hacia el ánodo durante la carga. Los iones de litio se conservan durante la carga y descarga, difundiéndose entre los electrodos mediante un mecanismo tipo reloj de arena en el que el litioLos iones son como los granos de arena que cambian de dirección cuando la reacción se invierte.
Por lo general, las baterías de iones de litio tienen electrolitos líquidos, pero una nueva investigación se centra en los electrolitos poliméricos, que se sabe que son más estables, menos inflamables y menos volátiles. Los plásticos, el caucho y las proteínas son polímeros o largas cadenas de repetición secuencialmoléculas, que se utilizan en muchas tecnologías diferentes debido a su diversa funcionalidad y fiabilidad.
"Los polímeros que estamos estudiando están hechos de una unidad molecular que se repite decenas de miles de veces", dijo Miller.
Históricamente, el mejor electrolito polimérico para baterías de iones de litio ha sido el óxido de polietileno PEO, un polímero versátil con diversas aplicaciones tanto en medicina como en ciencia. La adición de sales de litio a polímeros como PEO permite que estos polímeros se utilicen como polímero sólidoelectrolitos. La sal contiene cationes de litio, iones con carga positiva que se transportan de un lado a otro en la batería y algunos aniones con carga negativa para equilibrar la carga.
Un electrolito ideal es uno que se disuelve fácilmente y luego conduce iones de litio. El problema con PEO es que conduce mal los iones de litio en comparación con los electrolitos líquidos, lo que significa que los iones viajan lentamente al cátodo, lo que limita la corriente que puede producir la batería.También conduce los aniones demasiado rápido. Si bien los aniones son útiles para equilibrar la carga de iones de litio, su conducción rápida crea una pérdida en el voltaje de la batería.
Usando este conocimiento, el equipo de Miller comenzó a buscar polímeros más eficientes. Brett Savoie, un becario postdoctoral en Caltech, pensó que revertir la típica dinámica de electrolitos de polímero sólido ayudaría al equipo de Miller a encontrar más polímeros ideales ". Desea conducir los iones de litio positivos", Dijo Miller." No quieres conducir los iones negativos en la sal ".
El equipo se dispuso a buscar polímeros que condujeran iones de litio más rápidamente que PEO. Utilizando la informática de alto rendimiento, el equipo de Miller creó el modelo de percolación de enlace dinámico químicamente específico, un protocolo de simulación de grano grueso que fue desarrollado y validado por elgrupo, para seleccionar materiales electrolíticos basados en trayectorias de dinámica molecular corta. Primero seleccionaron un conjunto de 500 clases diferentes de polímeros para encontrar unos que fueran mejores conductores de iones de litio.
Un grupo de polímeros, en particular, se ajusta a la factura.
Simulación de polímeros de Lewis-ácido
Las moléculas ácidas de Lewis son las que tienen una carga positiva e interactúan fuertemente con los aniones. El equipo de Miller diseñó simulaciones utilizando polímeros ácidos de Lewis para electrolitos con la esperanza de que frenen la conducción del anión. Estos polímeros, dijo Miller, no han sido simuladoso estudiado experimentalmente.
El equipo descubrió que, en la simulación, esta clase de polímeros no solo conducía los aniones más lentamente que PEO sino que también conducía los iones de litio positivos más rápidamente. Debido a que las regiones positivas de los grupos químicos ácidos de Lewis están contenidas en una pequeña cantidad deMiller dijo que "el espacio y sus regiones negativas se extienden sobre una gran cantidad de espacio, dan a los iones de litio positivos más oportunidades para disolverse". Se sabía que las moléculas de ácido Lewis disminuyeron la velocidad de los aniones ", dijo Savoie." Lo sorprendente aquífue que al usar un sistema puramente ácido de Lewis, también aceleramos el litio ".
Las simulaciones mostraron que estos polímeros pueden ser capaces de producir un aumento de ocho veces en la conducción de litio deseada y una disminución marcada en la conducción de aniones no deseados. Esto sería, dado el ritmo históricamente lento de descubrir nuevos materiales poliméricos, unsalto muy grande
El equipo rastreó la evolución molecular en escalas de tiempo que iban desde un femtosegundo a un microsegundo. La capacidad de abarcar esta amplia gama de escalas de tiempo fue posible con Titán, que puede calcular a una velocidad de 27 petaflops, o 27 billones de cálculos por segundo.
El equipo usó LAMMPS, un código de dinámica molecular clásica de código abierto, para ejecutar sus simulaciones, observando varias docenas de combinaciones de polímero-sal bajo diferentes concentraciones de sal. Se realizaron alrededor de 400 simulaciones a la vez en paralelo, con cada simulación usando 16CPU y 1 GPU. Cada simulación consistía en alrededor de 3.000 átomos replicados periódicamente en un espacio tridimensional para crear el efecto de un material polimérico en masa, con una cierta concentración de iones por unidad de replicación periódica.
Supercomputadoras que conducen a la detección de polímeros
Aunque el equipo de Miller continúa seleccionando secuencias prometedoras de polímeros con el objetivo de completar su electrolito candidato número 5.000 para finales de 2017, el proyecto ya ha llevado a la identificación de polímeros que pueden favorecer la conducción de iones de litio.
"Estos nuevos polímeros son emocionantes porque parecen superar algunos de los principales problemas con otros materiales poliméricos", dijo Miller. "Las predicciones indican que estos polímeros podrían exhibir un aumento sustancial en la conductividad. Sería una tremenda mejora de laconductividad actual de iones de litio que ofrece PEO ", dijo Miller.
Los investigadores continúan ejecutando sus simulaciones en Titán bajo un premio Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment, para el que se les ha asignado 40 millones de horas centrales.
Miller dijo que las supercomputadoras de próxima generación como la Cumbre de OLCF, programada para entrar en línea en 2018, ampliarán en gran medida sus capacidades de investigación, permitiendo a su equipo explorar áreas aún más grandes del espacio químico.
"Con computadoras más rápidas podremos hacer esto con mayor precisión", dijo Miller. "También podremos ver más polímeros de manera más confiable y en escalas de tiempo más largas. Las computadoras mejoradas acelerarán rápidamente elritmo de descubrimiento para materiales de este tipo "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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