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 22-73-00219

НазваниеКомпьютерный дизайн новых электролитов для твердотельных аккумуляторов

РуководительЧепкасов Илья Васильевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-604 - Многомасштабное компьютерное моделирование структуры и свойств материалов

Ключевые словааккумуляторы, твердый электролит, генеративно-состязательные сети CrystalGAN, эволюционный алгоритм USEPX, машинное обучение

Код ГРНТИ29.19.03

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Создание и развитие литий-ионных аккумуляторов стало революционным во всех сферах жизни человека. Благодаря высокой гравиметрической и объемной плотности энергии, высокой удельной мощности, длительному сроку службы и низкому саморазряду литий-ионные аккумуляторы сегодня являются одними из важнейших возобновляемых источников энергии. Однако в связи с растущим спросом возникает необходимость в разработке новых типов аккумуляторов, обладающих большими показателями гравиметрической или объемной плотности энергий или их более доступных аналогов. Перспективным подходом для достижения наибольших плотностей энергии, а также лучшей цикличности и безопасности считается переход к полностью твердотельным аккумуляторам, в которых используется твердый электролит. Главным преимуществом твердых электролитов считается их повышенная термическая стабильность и устойчивость к дендритообразованию, благодаря которым, они демонстрируют большую циклируемость и более безопасны. Традиционно аккумуляторы с металлическим литием в качестве анода или аккумуляторы с анодом с щелочными металлами (Na+, K+) рассматриваются как наиболее перспективные альтернативы литий-ионным аккумуляторам. В литиевых аккумуляторах наилучшие показатели ионной электропроводности, сравнимые с жидкими органическими электролитами, достигаются в сложных трех и четырех компонентных системах, содержащих атомы серы и фосфора. Другой перспективный класс твердых электролитов - германий содержащие твердые электролиты. Несмотря на регулярное появление публикаций с новыми электролитами и более детальными исследованиями уже открытых твердых электролитов, в том числе составов М-P-S и М-Ge-S (М = Li, Na, K), информация о электролитах такого состава все еще остается преимущественно не систематизированной и разрозненной. Использование современных и эффективных методов предсказания кристаллических структур таких как генеративно-состязательные сети CrystalGAN и эволюционный алгоритм USEPX позволит найти новые, еще не исследованные соединения составов M-P-S и M-Ge-S, где M = Li, Na, K. Применение методов квантовой химии, машинного обучения (MLIP) и молекулярной динамики позволят достоверно оценить термодинамические, механические и кинетические свойства новых твердых электролитов, в том числе коэффициенты диффузии и значения ионной электропроводности. Важным достоинством этого подхода является способность прогнозировать свойства экспериментально еще не изученных соединений, синтез и анализ которых может представлять задачу, требующую больших материальных и временных затрат.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будет проведен поиск с использованием эволюционного алгоритма USEPX и генеративно-состязательных сетей CrystalGAN новых структур из соединений Li-P-S, Na-P-S, K-P-S, Li-Ge-S, Na-Ge-S и K-Ge-S. Для всех найденных структур будут проведено исследование стабильности и электронных свойств. Для всех стабильных структур будет рассчитана энергия реакций восстановления твердого электролита на аноде (восстановительный потенциал), которая позволит оценить перспективность предсказанных структур в качестве твердых электролитов. Для наиболее перспективных соединений будут созданы потенциалы межатомного взаимодействия методами машинного обучения. Особое внимание при создании потенциалов будет уделено учету концентрации вакансий в материале. Методом молекулярной динамики с использованием созданных ранее потенциалов будет рассчитана ионная проводимость в зависимости от концентрации вакансий для всех перспективных предсказанных соединений. Поиск новых соединений и описание их свойств позволит найти новые оптимальные твердые неорганические электролиты, которые в перспективе могут быть синтезированы и использованы в аккумуляторах. Результаты данного проекта помогут в создании новых типов эффективных аккумуляторов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В данном проекте мы проводим поиск и детальное изучение структур из соединений Li-P-S, Na-P-S, K-P-S для твердых электролитов аккумуляторов. Мы всесторонне изучили ионную проводимость в фосфидах лития, натрия и калия, перспективных материалах для хранения энергии, используя комбинацию вычислений из первых принципов и машинного обучения межатомных потенциалов. Используя квазигарминическое приближение, мы построили convex hull систем Li-P, Na-P, K-P, Li-S, Na-S, K-S, Li-P-S, Na-P-S, K-P-S при различных температурах и получили фазовую диаграмму температура-состав, очерчивающую области стабильности каждой фазы. Ионная проводимость стабильных cnherneh Li3P, LiP, Li3P7, Li3P11, LiP7 и метастабильных Li4P3, Li5P4, LiP5 исследовали в зависимости от температуры. В некоторых соединениях мы обнаружили высокую ионную проводимость при комнатных температурах (10^{-3}--10^{-2} См·см^{-1}}). Структурами с наименьшей ионной проводимостью являются LiP, Li3P11 и LiP7, в которых диффузия незначительна во всем диапазоне температур 300--500 К. В Li3P, Li3P7 и Li4P3, LiP имеет место трехмерная диффузия атомов Li, а в Li5P4 – преобладает двумерный механизм, а в LiP5 и LiP7 наблюдается 1D-механизм. Это исследование может дать представление о разработке материалов Li-P в литий-ионных и литий-металлических батареях. Также детально изучили ионную проводимость с системах K-P, Na-P. В Na-P rак и в соединениях лития, большинство структур имеют высокую ионную проводимость при комнатной температуре порядка 10-3–10-2 См см-1. В сравнении с соединениями лития, некоторые натриевые аналоги становятся хорошими ионными проводниками, так например, диффузия катиона в NaP и NaP7 сопоставима с диффузией в Na3P и Li3P. Соединение Na4P3 имеет наихудшие значения ионной проводимости от 10-3.5 См/см–1 при 300 K до 10–3.2 См/см–1 при 500 K, что, однако, все еще является высокими значениями ионной проводимости. В отличие от соединений Li-P, где было представлено многообразие 1D и 2D проводников, большинство соединений натрия с фосфором являются 3D проводниками, за исключением Na5P4, который, как и Li5P4 имеет 2D проводимость натрия: линии траектории расположены вдоль плоскостей, в которых располагаются катионы, наименее прочно связанные с фосфорными цепями. В NaP15 также наблюдается 3D диффузия, при этом линии траекторий сильно ориентированы вдоль линий, направленных в направленных вдоль линий расположения атомов натрия. В системах K-P rак и для Li3P и Na3P, в K3P наблюдается наибольшая ионная электропроводность от ~10–2–10–1.5 См/см–1 в диапазоне 300 – 500 K. Тем не менее, для остальных соединений, значения ионной проводимости ниже на порядок при комнатной температуре по сравнению с литиевыми и натриевыми аналогами. Мы связываем такое занижение ионной электропроводности с большим размером катиона калия. Все рассчитанные соединения, за исключением KP15 и K5P4 являются 3D проводниками. K5P4 является 2D проводником, как и Li5P4 и Na5P4. KP15 является 1D ионным проводником, в котором, как и в NaP15 диффузия протекает вдоль линий, по которым располагаются катионы, однако эти каналы, в отличие от натриевого аналога не соединены друг с другом. Данные результаты по системе Li-P опубликованы нами в статье Crystals 2023, 13(5), 756 .

 

Публикации

1. Мальцев А. П., Чепкасов И. В., Квашнин А. Г., Оганов А. Р. Ionic Conductivity of Lithium Phosphides Crystals, Т. 13. – №. 5. – С. 756. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/cryst13050756