Prima simulazione del livello atomico di un'intera batteria

Quando si tratta di sviluppare la prossima generazione di tecnologia, il collo di bottiglia più grande è probabilmente la batteria. Gli ingegneri hanno bisogno di batterie migliori per i veicoli elettrici, per lo stoccaggio di energia nelle reti elettriche e, naturalmente, per i dispositivi elettronici di consumo.

Queste batterie devono fornire una corrente più elevata su più cicli di scarica con una maggiore densità di energia, per citare solo alcune delle sfide.

Costruire e testare nuovi modelli di batterie richiede tempo, è difficile e costoso. Quindi è utile per gli elettrochimici simulare il funzionamento di una batteria prima di sporcarsi le mani.

È complicato. Nessuno è stato in grado di simulare un'intera batteria a livello atomico a causa della complessità dei processi in corso e dei limiti delle tecniche di modellazione odierne.

Oggi le cose cambiano grazie al lavoro di Wolf Dapp presso l'Institute for Advanced Simulation e Martin Muser presso l'Università di Saarlandes, entrambi in Germania. Questi ragazzi hanno simulato il comportamento di un'intera batteria su scala atomica. E la loro simulazione riproduce per la prima volta molte delle reali caratteristiche di una batteria da principi primi.

Negli ultimi anni, gli scienziati informatici hanno compiuto progressi significativi nella simulazione di vari aspetti del comportamento della batteria. Questi modelli funzionano sulla mesoscala: più piccoli degli elettrodi ma più grandi delle molecole. Le simulazioni si basano su dati sperimentali per modellare cose come la conduttività ionica ed elettronica, i coefficienti di diffusione, le densità di corrente, i potenziali elettrochimici e così via.

Questi modelli hanno un grave inconveniente: hanno poco potere predittivo quando si tratta di nuovi materiali o combinazioni di materiali per i quali non sono disponibili dati sperimentali. Per prevedere il comportamento di nuovi materiali, gli elettrochimici devono modellare le batterie sulla scala di atomi e molecole.

È difficile perché le tecniche utilizzate dagli informatici per simulare il comportamento di atomi e molecole non sono adatte alle batterie. Queste simulazioni sono progettate per sistemi che sono in equilibrio o vicini ad esso. Funzionano equalizzando il potenziale chimico o minimizzando l'energia del sistema. Tuttavia, la differenza nel potenziale chimico tra due elettrodi è esattamente ciò che guida il trasporto di carica in una batteria, affermano Dapp e Muser.

Quindi, per modellare una batteria nel suo insieme, il modello al computer deve tenere conto di qualsiasi variazione di energia o potenziale chimico in ogni fase del calcolo. Questo è esattamente ciò che hanno fatto Dapp e Muser. Nel loro modello, la carica è una variabile che può essere scambiata tra atomi e tra legami in ogni fase del calcolo.

Le simulazioni risultanti sono piccole ma impressionanti. La loro nanobatteria è composta da 358 atomi, di cui 118 costituiscono gli elettrodi. Il catodo è inizialmente ricoperto da uno strato di 20 atomi con 39 atomi ionizzati positivamente disciolti nell'elettrolita.

Il calcolo procede quindi in fasi in cui gli atomi possono muoversi e scambiare carica mentre il sistema evolve. L'intera simulazione consiste in circa 10 milioni di questi passaggi.

I risultati sono notevoli perché riproducono effettivamente le curve di scarica generiche di vere batterie macroscopiche. Ad esempio, una temperatura di esercizio inferiore riduce la capacità effettiva della batteria simulata. E, soprattutto, la simulazione riproduce il modo in cui le normali batterie si consumano. Al momento della ricarica, le prestazioni della batteria si riducono leggermente e la morfologia della superficie dell'elettrodo cambia durante il funzionamento della batteria, dicono Dapp e Muser.

Questi ragazzi dicono che il lavoro in questa fase è solo un modello di prova di principio e che ci sono vari modi in cui può essere migliorato in futuro. Ad esempio, modellano l'elettrolita utilizzando particelle che hanno una carica fissa e quindi non possono scambiarla.

Non è così che funzionano gli elettroliti nelle batterie reali e quindi questo è un importante difetto del nuovo metodo. Ma Dapp e Muser intendono correggere questo. Questa idealizzazione sarà abbandonata nei lavori futuri, dicono.

Nel complesso, questo sembra essere un lavoro importante. Questo tipo di modello potrebbe migliorare notevolmente il potere predittivo delle simulazioni di batterie e quindi aiutare gli elettrochimici a risparmiare tempo, energia e denaro significativi prima di iniziare esperimenti dettagliati.

Il risultato finale dovrebbe essere batterie migliori, ma c'è ancora molta strada da fare prima di allora.

Rif: arxiv.org/abs/1308.3424 : Reazioni redox con potenziali empirici: simulazioni di scarica atomica della batteria

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