Команда молодых физиков Ереванского госуниверситета предложила (методом теоретических расчетов) ряд новых материалов для аккумуляторов в электронике – в частности, твердые электролиты вместо жидких. Такой переход хотят совершить многие крупные производители, так как твердые электролиты долговечнее и безопаснее.
Кто бегает в "плюс-минусе" наших аккумуляторов
Все мы знаем, что батареи состоят из полюсов "плюс–минус". Внутри батареи ионы "бегут" от одного полюса к другому. Батарея работает за счет их бега, а электролит – это своеобразная "беговая дорожка".
Если аккумулятор поврежден, или при его утилизации нарушена техника безопасности (т.е. аккумулятор попросту выброшен на свалку), жидкий электролит может вытечь и загрязнить окружающую среду, может даже произойти возгорание. Твердые же вещества не представляют такого риска.
"Великая и ужасная" квантовая механика – какую проблему она решает
Проект возглавляет Айк Закарян, заведующий лабораторией вычислительного материаловедения института (факультета) физики ЕГУ.
Лаборатория Закаряна занимается вычислительным, а не экспериментальным материаловедением, то есть здесь материалы изучаются с помощью вычислений квантовой механики, а не реальных экспериментов (в будущем другие научные и производственные группы могут попытаться синтезировать эти материалы).
Для различных потенциальных соединений рассчитывается и оценивается, насколько они стабильны, не распадаются ли они на другие вещества. Также рассчитывается ионная проводимость материалов. Иными словами, сколько ионов-носителей электрического тока может пройти в сантиметре, миллиметре или другой единице длины материала.
AI помогает ученым, а не заменяет их
Поскольку в современных батареях в основном используются жидкие литий-ионные электролиты, команда Закаряна изучает литиевые соединения, в том числе с лантаном, бором и хлором. В мире изучаются и соединения более дешевых металлов (натрия и калия). Для литийсодержащих батарей, тоже в целях экономии, разрабатываются полимерные электролиты: такие модели даже начали использоваться в некоторых устройствах.
Открытие новых материалов развивается довольно быстро. В ноябре 2023 года компания Deepmind, принадлежащая Google, с помощью программы искусственного интеллекта увеличила количество неорганических веществ, известных в мире, в десять раз – с 40 000 до 400 000.
“Тем не менее, в нашей недавней работе мы предсказали, что можно будет обнаружить еще больше новых материалов, обладающих достаточной ионной проводимостью. Так что искусственный интеллект полностью не заменит ученых”, - говорит Закарян.
Расчеты требуют мощной вычислительной техники
Квантово-механические уравнения Ц сложны и требуют компьютеров достаточной мощности. Недавно из Франции в Армению был доставлен сверхмощный компьютер, но его подключение и настройка займут два-три месяца. Еще один суперкомпьютер, стоимостью в $8 млн, правительство решило приобрести и установить в ЕГУ, для исследований в области искусственного интеллекта.
Пока эти устройства не вошли в рабочий режим, команда Закаряна использует другие мощные компьютеры - как в ЕГУ, так и в других учреждениях Армении. Кроме того, на гранты, имеющиеся в распоряжении лаборатории, молодой ученый планирует купить сервер.
“Чем мощнее ресурсы, которыми вы обладаете, тем более сложные проблемы вы можете решить. Казалось бы, истина столь простая, что ее излишне озвучивать, но практически каждый раз нам приходится ее доказывать государственным органам. Невозможно требовать новейших результатов без новейших устройств”, - добавляет он.
Артем Оганов – бок о бок с программой
Значительный вклад в программу внес российский ученый армянского происхождения Артем Оганов. Известный физик-теоретик уже несколько лет приглашает к себе (в исследовательский центр Сколково) армянских аспирантов, софинансируя их стипендию. В годы учебы в аспирантуре у него прошел переподготовку и Айк Закарян.
Окончив аспирантуру в 2020 году, Айк выиграл грант комитета по высшему образованию и науке Армении по программе открытия новых научных лабораторий, а в 2023-м получил следующий грант, по программе развития лабораторий. В обеих программах Оганов выступает в качестве зарубежного консультанта.
Добавим, что "Лаборатория вычислительного материаловедения", возглавляемая Айком Закаряном, действует в центре полупроводниковых устройств и нанотехнологий Института (факультета) физики ЕГУ, а в штат ее сотрудников входят два кандидата наук, один аспирант, один магистр и два студента бакалавриата.