Sàng lọc tính toán thông lượng cao của các phân tử hữu cơ cho cực âm của pin ion hữu cơ
bởi Đại học Công nghệ Eindhoven
Ảnh: Pixabay / CC0
Khi nhu cầu về năng lượng của thế giới tăng lên, nhu cầu về các thiết bị lưu trữ năng lượng tốt hơn càng trở nên lớn hơn. Một cách để giải quyết vấn đề này, đồng thời nghĩ đến tính bền vững là chuyển sang sử dụng các vật liệu hữu cơ để làm pin lưu trữ năng lượng. Đối với tiến sĩ của cô ấy. nghiên cứu, Xuan Zhou đã phát triển các mô hình máy tính để mô phỏng các lựa chọn vật liệu khác nhau cho cực âm trong cả pin lithium-ion và natri-ion.
Nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cùng với sự phát triển của dân số và nền kinh tế thế giới. Nhiên liệu hóa thạch tiếp tục thống trị thị trường năng lượng toàn cầu, với tỷ trọng đáng kể khoảng 84% tổng năng lượng sử dụng trên thế giới. Tuy nhiên, việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch có thể dẫn đến hiện tượng ấm lên toàn cầu, ô nhiễm môi trường và nguy cơ khan hiếm tài nguyên cho các thế hệ sau.
Điện cực hữu cơ
Để giải quyết các vấn đề môi trường và thiếu hụt năng lượng, pin ion hữu cơ, trong đó cực âm là vật liệu hữu cơ, ngày càng nhận được sự quan tâm trong cộng đồng nghiên cứu. Chúng chủ yếu bao gồm carbon, hydro, oxy, nitơ và lưu huỳnh, có thể được lấy từ sinh khối.
Trong khi đó, các vật liệu điện cực hữu cơ có tác động môi trường rất nhỏ trong quá trình sản xuất và tái chế so với các điện cực vô cơ. Hơn nữa, các vật liệu catốt gốc hữu cơ thể hiện các công suất đặc biệt vượt trội, tính đa dạng hóa học và khả năng phù hợp về cấu trúc.
Rõ ràng, không gian hóa học rộng lớn của các phân tử hữu cơ tạo cơ hội để thiết kế các vật liệu hoàn toàn mới để lưu trữ năng lượng điện hóa, cũng như vật liệu cực âm tối ưu cho pin ion hữu cơ.
Được thúc đẩy bởi những tiến bộ liên tục trong sức mạnh tính toán và các phương pháp lý thuyết, sàng lọc tính toán thông lượng cao được coi là một máy gia tốc mạnh mẽ để xác định các ứng cử viên hiệu suất cao từ không gian hóa học. Mục tiêu chính của Ph.D. nghiên cứu của Xuan Zhou là nhằm đẩy nhanh việc phát hiện ra vật liệu cathode gốc hữu cơ để lưu trữ năng lượng trong pin lithium-ion có thể sạc lại và pin natri-ion. Và để đạt được điều này, cô và các đồng nghiệp của mình đã chuyển sang mô hình điện toán.
Mô hình tính toán
Để đạt được mục tiêu này, Zhou đã phát triển các mô hình tính toán mới và áp dụng các bộ mô tả hóa học khác nhau để dự đoán thế oxy hóa khử, với mục đích tăng tốc độ tính toán hóa học lượng tử cho một tập dữ liệu phân tử quy mô lớn.
Sau đó, Zhou đã xem xét không gian hóa học của các quinon hữu cơ và các sulfonamit liên hợp thông qua phương pháp tiếp cận máy học mới xuất hiện và các phương pháp hóa học lượng tử truyền thống. Cô ấy tính toán các thuộc tính liên quan đến cathode cho các phân tử thư viện ảo và chọn thư viện ảo bằng cách sử dụng các thuộc tính được tính toán làm tiêu chí sàng lọc.
Cuối cùng, Zhou và các đồng nghiệp của cô đã xác định được các phân tử hữu cơ hoạt động hàng đầu cho cả cực âm của pin lithium-ion và natri-ion, có thể được áp dụng trực tiếp để tiến hành các thử nghiệm. Cô cũng nghiên cứu mối quan hệ thuộc tính cấu trúc để thiết kế một cách hợp lý vật liệu catốt cho pin ion hữu cơ.
Sơ đồ tính toán kết hợp được đề xuất hữu ích cho cả việc sử dụng tối ưu tài nguyên máy tính và tạo ra hệ thống dữ liệu vật liệu pin. Cơ sở dữ liệu quy mô lớn được tạo ra liên quan đến các đặc tính liên quan đến cathode cho gần 200 nghìn phân tử hữu cơ có thể được áp dụng cho đào tạo máy học. Công việc của Zhou cũng rất sâu sắc trong việc triển khai các nỗ lực sàng lọc tính toán thông lượng cao hiệu quả và các nỗ lực khám phá theo hướng dữ liệu trên một không gian hóa học lớn của các vật liệu hữu cơ cho pin ion hữu cơ.
