研究人员翻转脚本为锂离子电解质来模拟更好的电池
自从意大利物理学家亚历山德罗伏打发明了第一个电池可以从一堆的铜和锌磁盘用湿纸板隔开，科学家们一直在寻找更好的电池材料。
对比在常规电解质 （左上角） 的溶剂化战略和一类新的刘易斯酸性聚合物电解质 （左下角）。强的锂离子协调和弱阴离子协调刘易斯基本聚合物 （右上角） 导致缓慢的传导锂离子和阴离子不赞同地快速传导。减少了锂离子协调和刘易斯酸性聚合物的强阴离子协调 （右下角） 允许快速传导的积极锂离子 — — 锂离子电池需要在放电/充电周期期间保持效率的属性。
锂离子电池，是更轻、 更持久的和功能在广泛的温度比标准电池下，从手机到航空母舰到电动汽车的一切力量。他们无处不在的使用，使其稳定性、 效率和安全重要的企业和消费者的一致好评。
一个主要处理电池组件，但是研究人员面临的挑战，找到小说，不可燃材料的电解质。电解质是锂离子穿梭在充电和放电，使电池使用的能量传输的关键电池组件。现在，科学家正在寻找电解质，不仅稳定，而且也有利于锂离子，锂离子电池在充电周期期间保持效率所需的属性。
加州理工学院的 （加州理工学院） 托马斯 · 米勒率领用 Cray XK7 泰坦超级计算机在美国能源部 (DOE) 橡树岭国家实验室 (ORNL) 来识别潜在的电解质材料，并预测哪些可提高锂离子电池的性能。研究人员使用泰坦，跑数百个模拟 — — 每个组成的成千上万的原子 — — 对可能的新电解质。工作使他们的新型电解质锂离子传导有前途的特性与识别。
米勒，在加州理工学院化学与该项目的首席研究员教授表示，领导阶层的超级计算机是必要的会议项目的目标，因为模拟跑在介于一飞秒 （第二次第次方分之一） 到微秒 （百万分之一秒），跨越九个数量级的时间尺度上。”这些计算都要求极高的计算资源，”他说。”我们正在处理 — — 从分子的角度 — — 很大系统和长时间尺度。”米勒说︰ 团队需要迅速跨多个候选人电解质描述复杂材料到屏幕。幸运的是土卫六 — — 部分的橡树岭领导计算设施 (OLCF)，美国能源部办公的科学用户设备位于橡树岭国家实验室 — — 使他们能够做到这一点。
电极、 电子和电解质
所有电池中都含有电解质、 液体或固体绝缘的电子流，但促进离子是导电的两个电极阳极和阴极之间的流动。电池内的电子移动通过电池的电路和电源设备的路上到阴极，电池的正极。当电子离开阳极时，正电荷的离子 （锂离子） 跨电解液会到阴极移动。此过程继续直到反应物耗尽 （即电池失去了电荷） 或断开电路。
在可以扭转周期的可充电电池，与锂离子扩散回阳极在充电过程中。在充电和放电，锂离子像沙粒，改变方向，当反应逆转在一个沙漏状机制由电极之间来回扩散过程中，锂离子被守恒。
通常锂离子电池电解液，但新的研究重点高分子电解质，被认为是更稳定，易燃，越来越少的挥发性。塑料、 橡胶和蛋白质都是聚合物或长链的顺序重复分子，用在许多不同的技术，由于其各种不同的功能和可靠性。
米勒说:”我们正在研究聚合物制造重复了成千上万次的一个分子单位，”。
历史上最好的聚合物电解质的锂离子电池一直聚氧化乙烯 (PEO)，一种多功能的聚合物与各种应用在医学和科学。另外的锂盐聚合物 PEO 使得这些聚合物用作固体聚合物电解质。盐含有锂离子，带正电荷的离子，来回穿梭在电池，和一些负电荷的阴离子，以平衡电荷。
理想的电解质是一种很容易溶解，然后进行锂离子。PEO 的问题是它进行锂离子差与液体电解质，意思离子慢慢地旅行到阴极从而限制电池可以产生电流。它还进行阴离子太快。而阴离子可用于平衡充电的锂离子，他们迅速传导在电池电压造成的损失。
使用此知识米勒的团队开始寻找更有效的聚合物。布雷特 · 萨瓦，加州理工的博士后研究员认为扭转典型固体聚合物电解质动态会帮助米勒的团队找到更理想的聚合物。米勒说:”你想要进行积极的锂离子，”。”你不想进行中盐负离子”。
队踏上了会比 PEO 更快地进行锂离子的聚合物。使用高性能计算，米勒的团队创造了化学特定动态债券逾渗模型，一种粗粒度模拟协议制定并审定小组，到屏幕的电解质材料，基于短分子动力学轨迹。他们首次播出一套 500 个不同类的聚合物以找出了更好的锂离子导体。
一组的聚合物，尤其适合条例草案 》。
模拟的刘易斯酸性聚合物
刘易斯酸性分子是那些持有正电荷和强烈与阴离子进行交互。米勒的研究团队设计模拟使用刘易斯酸性聚合物电解质中他们会减慢阴离子传导的希望。这些聚合物，米勒说，不模拟或进行了实验研究。
研究小组发现，在模拟中，这类聚合物不仅进行阴离子比 PEO 慢，但也更快地进行积极的锂离子。米勒说，因为其负面的区域遍布大量空间及路易斯酸性化学组阳性区域载有极少量的空间，他们给积极锂离子溶解，更多的机会。萨瓦说:”它已知刘易斯酸性分子放慢阴离子，”。”什么是令人吃惊的是这里是，通过使用一个纯粹的刘易斯酸性系统，我们还加快锂”。
仿真结果表明，这些聚合物能够产生所需的锂传导增加了八倍和有害的阴离子传导明显的减少。这将是 — — 鉴于历史上缓慢的发现新的高分子材料 — — 一个非常大的跳跃。
团队在范围从飞秒到一微秒的时间尺度上进行跟踪的分子进化。大跨度的时间刻度范围如此巨大的能力得以与土卫六，可以计算 27 千万亿次的速度，或每秒 2 京 7000 兆计算。
这个团队使用 LAMMPS，开放源码经典分子动力学代码，运行及其仿真，看着几个十几个聚合物-盐组合在不同盐浓度下。一次大约 400 个模拟结果被在并行运行，每一个仿真程序使用 16 Cpu 和 GPU 1。每个模拟包括大约 3,000 原子会定期复制在立体的空间里用一定浓度的离子每单位定期复制创建大容量聚合物材料的影响。
超级计算机有利于聚合物筛选
虽然米勒的团队继续屏蔽有前途聚合物序列与 2017年年底完成其第 5000 项候选电解液的目标，该项目已经导致可能会更偏爱锂离子传导的聚合物的识别。
米勒说:”这些新的聚合物是令人兴奋，因为他们似乎克服一些其它高分子材料的主要问题，”。”预测表明，这些聚合物可能具有大量增加电导率。它将从当前的锂离子电导率，PEO 提供极大的改善，”米勒说。
研究人员继续在理论和实验研究奖，为此他们已经分配 4000 万核心小时上创新和小说计算影响下的土卫六上运行他们的模拟。
米勒说︰ 下一代超级计算机像 OLCF 的首脑会议，预计于 2018 年，在线会极大地扩展自己的研究能力，让他的团队要探索的化学空间更大领域。
“更快的计算机与我们会做到更好的精度，”米勒说。”我们还将能够更可靠和更长的时间尺度上看看更多的聚合物。改进的计算机要迅速加快发现这种材料的步伐。
研究了国家自然科学基金资助的。 研究人员也作的国家能源研究科学计算中心，能源部办公的科学用户设备在劳伦斯伯克利国家实验室使用。— — 写的雷切尔肯