ابررایانه و هوش مصنوعی عمر باتریهای سدیمیونی را افزایش دادند
پژوهشگران با استفاده از ابررایانه اکسپنس و مدلهای هوش مصنوعی توانستهاند با ایجاد تغییرات بسیار کوچک در ترکیب مواد باتریهای سدیم‑یونی عملکرد و طول عمر آنها را بهطور قابل توجهی بهبود دهند؛ دستاوردی که میتواند هزینه ذخیرهسازی انرژی در مقیاس شبکههای برق را کاهش دهد.
به گزارش interestingengineering، محققان دانشگاه کالیفرنیا سندیگو در این پروژه از ابررایانه Expanse در مرکز ابررایانه سندیگو استفاده کردند تا بررسی کنند چگونه تغییرات جزئی در ساختار مواد کاتدی یک باتری میتواند ظرفیت ذخیره انرژی را افزایش داده و طول عمر آن را بیشتر کند.
باتریهای سدیم‑یونی بهعنوان جایگزینی ارزانتر برای باتریهای لیتیوم‑یونی مطرح شدهاند زیرا عنصر سدیم در طبیعت فراوانتر و در دسترستر است. همین ویژگی آنها را به گزینهای جذاب برای ذخیره انرژی تولیدشده از منابع تجدیدپذیر مانند نیروگاههای خورشیدی و بادی تبدیل میکند؛ حوزهای که در آن هزینه نقش بسیار مهمی دارد.
با این حال باتریهای سدیم‑یونی تاکنون با چالشهایی مانند عملکرد پایینتر و تخریب سریعتر نسبت به باتریهای مبتنی بر لیتیوم روبهرو بودهاند بهویژه زمانی که در ولتاژهای بالا مورد استفاده قرار میگیرند.
برای حل این مشکل دانشمندان ماده کاتدی مبتنی بر سدیم را با افزودن مقادیر اندکی از عناصر لیتیوم و تیتانیوم اصلاح کردند.
شرلی منگ، استاد دانشگاه UC San Diego، در توضیح نتایج این پژوهش گفت: این تغییرات ظریف تأثیر بسیار بزرگی داشتند. ماده اصلاحشده توانست انرژی بیشتری ذخیره کند و حتی زمانی که باتری در ولتاژهای بالاتر کار میکرد نیز پایدار باقی بماند؛ موضوعی که برای استخراج انرژی بیشتر از هر چرخه شارژ بسیار مهم است.
به گفته او در آزمایشهای آزمایشگاهی کاتد بهبودیافته توانست مقدار قابل توجهی بار بیشتری ذخیره کند و پس از تعداد زیادی چرخه شارژ و تخلیه همچنان بخش عمده ظرفیت خود را حفظ کند؛ حتی در شرایط ولتاژ بالایی که معمولا باعث تخریب سریعتر مواد سدیمی میشود. با این حال چالش اصلی پژوهشگران این بود که دقیقاً درک کنند چرا چنین تغییرات شیمیایی کوچکی تاثیر بزرگی بر عملکرد باتری دارند.
نقش ابررایانه در کشف سازوکار
در این مرحله ابررایانه Expanse وارد عمل شد. تیم تحقیقاتی با استفاده از سهمیههای محاسباتی برنامه ACCESS بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) شبیهسازیهای گستردهای از حرکت یونهای سدیم در ساختار بلوری ماده در هنگام شارژ و تخلیه باتری انجام دادند.
این شبیهسازیها بر پایه مدلهای هوش مصنوعی موسوم به پتانسیلهای بنیادین (foundation potentials) انجام شد؛ مدلهایی که میتوانند محاسبات در مقیاس اتمی را بسیار سریعتر و با هزینه کمتر نسبت به روشهای محاسباتی سنتی انجام دهند.
نتایج مدلسازی نشان داد که حضور لیتیوم و تیتانیوم باعث میشود یونهای سدیم درون ساختار ماده آزادانهتر حرکت کنند و در عین حال از فروپاشی چارچوب بلوری ماده در طول چرخههای مکرر شارژ و تخلیه جلوگیری شود.
شیو پینگ اونگ، استاد UC San Diego و از همکاران این پروژه در این باره گفت: با محدود کردن گزینههای امیدوارکننده روی ابررایانه Expanse پیش از ورود به مرحله آزمایشگاهی توانستیم بسیار سریعتر از زمانی پیش برویم که تنها به روش آزمون و خطا متکی بودیم.
او افزود: نتایج ما نشان میدهد که مسیر عملی برای بهبود باتریهای سدیم‑یونی وجود دارد؛ موضوعی که میتواند ساخت مزارع بزرگ باتری برای ذخیره انرژی تجدیدپذیر و آزادسازی آن در زمانهایی که خورشید نمیتابد یا باد نمیوزد را عملیتر کند.
نقش رو به رشد ابررایانهها در توسعه باتریها
این پژوهش همچنین نشان میدهد که ابررایانهها به ابزارهای کلیدی در توسعه نسل جدید باتریها تبدیل شدهاند. در حالی که در گذشته تحقیقات عمدتا به آزمایشهای آزمایشگاهی متکی بود، اکنون دانشمندان میتوانند هزاران ترکیب مختلف از مواد را بهصورت شبیهسازی بررسی کنند و سپس تنها گزینههای امیدوارکننده را به مرحله ساخت نمونههای واقعی ببرند.
چنین رویکردی میتواند زمان توسعه باتریهای نسل آینده را بهطور قابل توجهی کاهش دهد؛ باتریهایی که در سامانههای پشتیبان شبکه برق، ذخیره انرژی تجدیدپذیر و حتی خودروهای الکتریکی آینده مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
انتهای پیام/
