В последние десятилетия учеными активно ведутся исследования материалов для новых типов металл-ионных аккумуляторов (МИА). Сейчас во многих устройствах применяются литий-ионные аккумуляторы (ЛИА). Они популярны благодаря хорошим эксплуатационным характеристикам. Высокая гравиметрическая ёмкость делает их малогабаритными и лёгкими. Казалось бы – а зачем тогда изобретать новые типы аккумуляторов?
Однако у ЛИА есть недостатки. Они пожароопасны, дороги ввиду высокой стоимости сырья, их запасы на планете ограничены и неравномерно распределены. Проблема может быть решена разработкой либо новых типов МИА либо новых материалов для ЛИА. Оба варианта требуют новых материалов с высокими эксплуатационными показателями, поэтому их поиск является важной задачей современного материаловедения.
Конец эпохи лития
Именно поиском новых материалов и занимается Владислав Осипов - 25-летний аспирант Химико-технологического факультета СамГТУ. Он работает в Международном научно-исследовательском центре по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) при вузе.
«Основное направление моей исследовательской деятельности – это прогнозирование новых материалов в области кристаллических ионных проводников с помощью современных методов теоретического материаловедения. Поиск новых материалов с улучшенными свойствами никогда не потеряет своей актуальности», - объясняет молодой ученый.
Глобальное потепление заставляет искать способы снижения выброса парниковых газов. Решение этой проблемы - переход на возобновляемую энергетику и электротранспорт. Но тут возникает другая проблема – для такого перехода нужны большие системы хранения энергии с низкой стоимостью и высокой надежностью.
Мировой запас лития составляет около 21 млн тонн. Для производства аккумулятора для одного электромобиля требуется порядка 5-10 килограммов лития. Таким образом, запасов лития хватит для производства лишь 3 млрд электромобилей, что является проблемой для долгосрочного развития отрасли. Выходом может служить разработка новых типов МИА, таких как натрий-, калий-, магний- и цинк-ионные аккумуляторы, которые обладают высокой объемной ёмкостью, доступностью сырья и низкой стоимостью.
Самые «продвинутые» исследования МНИЦТМ касаются цинк-ионных аккумуляторов. Научная группа, в которую входит Владислав Осипов, теоретически спрогнозировала новые материалы для них, синтезировали их, и собрала работающий прототип, который успешно прошел тестирование. К опытному образцу уже проявили интерес промышленные партнеры.
«Моя работа заключается в проведении расчетов методами теории функционала электронной плотности и молекулярной динамики. Также активно осваиваю современное перспективное направление, касающееся использования методов машинного обучения и искусственного интеллекта в прогнозировании структуры и свойств материалов. Полученные результаты были недавно опубликованы в престижных научных журналах», - рассказывает Владислав Осипов.
В помощь другим ученым
Владислав Осипов также разработал алгоритм, на основе которого был создан интернет-портал для исследователей, занимающихся расчетами диффузии в ионных проводниках. Сервис на основе расчетов молекулярной динамики вычисляет коэффициент диффузии и проводимость мигрирующего иона. Ионная проводимость - одна из основных характеристик, по которой определятся целесообразность применения материалов в аккумуляторах. Сейчас Владислав оформляет свидетельство об интеллектуальной собственности на разработанный сервис.
Поможет нейросеть
В прошлом году Владислав Осипов вместе с коллегами из вуза под руководством кандидата физико-математических наук Артема Кабанова представил статью под названием «Машинное обучение как инструмент ускорения поиска новых материалов для металл-ионных аккумуляторов». В ней молодой ученый рассказал еще об одной своей разработке.
Ее суть заключается в создании математической модели на основе нейросети для прогнозирования энергии миграции в материале на основе параметров свободного пространства в кристалле.
Статья была отмечена среди сотен других на конференции «AI Journey 2023», организованной крупной российской корпорацией. Разработанная модель может быть интересна всем исследовательским центрам, где занимаются разработкой новых видов металл-ионных аккумуляторов, топливных элементов, газоанализаторов и сенсоров.
Далее планируется расширить модель прогнозирования на материалы с натрий-, калий-, цинк-ионной проводимостью. Это позволит в будущем сократить время и ресурсы на разработку новых типов материалов для МИА с улучшенными характеристиками по сравнению с существующими.
Задел на будущее
И это еще не все разработки Владислава Осипова. Сейчас он также занимается поиском новых твердых фаз карбидов металлов с помощью топологических моделей твердотельных преобразований, разработанных в МНИЦТМ под руководством Владислава Блатова. Суть метода заключается в прогнозировании новых структур, образованных из уже известных структур путем создания новых и/или разрыва старых межатомных связей. Главная цель этих исследований - найти новый твердый карбид металла.
Владислав Осипов считает, что наука должна работать на светлое будущее.
«Наука - это возможность прожить жизнь так, чтобы не было мучительно больно за бесцельно прожитые годы. Создание комфортных условий для будущих поколений за счёт повышения уровня развития во всех областях жизнедеятельности человека – главная цель науки», - говорит он.
К сведению
Электромобили являются главным трендом в автомобилестроении последних лет. Эксперты ожидают, что к концу года мировые продажи пассажирских электромобилей – аккумуляторных и подключаемых гибридов – вырастут на 21% до 16,7 млн, причем 70% из них будут полностью электрическими. В целом, согласно отчету от Deloitte к 2030 году каждый четвертый купленный в мире автомобиль будет на электрической тяге.
На российском рынке электромобилей пока не очень много. По данным Минэкономразвития, по итогам первого полугодия 2024 года в России зарегистрировано более 52 тысяч машин с электрическим мотором (прирост в 27%).
Как считают эксперты, с учетом развития отрасли, инфраструктуры и растущей популярности электротранспорта, количество электрокаров на российских дорогах будет и дальше расти.
