Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο χρησιμοποίησαν έναν υπερυπολογιστή και τεχνητή νοημοσύνη για να βελτιώσουν τα υλικά των μπαταριών ιόντων νατρίου, ένα βήμα που θα μπορούσε να μειώσει το κόστος της αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης κλίμακας για τα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας.
Μικρές αλλαγές με μεγάλο αντίκτυπο
Η ομάδα χρησιμοποίησε τον υπερυπολογιστή Expanse στο Κέντρο Υπερυπολογιστών του Σαν Ντιέγκο για να μελετήσει πώς οι μικρές αλλαγές υλικού μέσα σε μια κάθοδο μπαταρίας θα μπορούσαν να ενισχύσουν την αποθήκευση ενέργειας και να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Οι μπαταρίες ιόντων νατρίου θεωρούνται μια εναλλακτική λύση χαμηλότερου κόστους σε σχέση με τα στοιχεία ιόντων λιθίου, επειδή το νάτριο είναι άφθονο και ευρέως διαθέσιμο. Αυτό τις καθιστά ελκυστικές για την αποθήκευση ανανεώσιμης ενέργειας από ηλιακά και αιολικά πάρκα, όπου το κόστος είναι ένας σημαντικός παράγοντας.
Ωστόσο, οι μπαταρίες νατρίου έχουν αντιμετωπίσει δυσκολίες με χαμηλότερη απόδοση και ταχύτερη υποβάθμιση από τις μπαταρίες με βάση το λίθιο, ειδικά υπό χρήση υψηλής τάσης.
Μικρές τροποποιήσεις, μεγάλα κέρδη
Για να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα, οι επιστήμονες τροποποίησαν ένα υπάρχον υλικό καθόδου με βάση το νάτριο προσθέτοντας μικρές ποσότητες λιθίου και τιτανίου.
«Αυτές οι ανεπαίσθητες αλλαγές αποδείχθηκαν πολύ σημαντικές: το τροποποιημένο υλικό μπορούσε να αποθηκεύσει περισσότερη ενέργεια και να παραμείνει σταθερό ακόμα και όταν η μπαταρία ωθήθηκε σε υψηλότερες τάσεις, μια βασική προϋπόθεση για την εξαγωγή περισσότερης ενέργειας από κάθε φόρτιση», εξήγησε η καθηγήτρια Shirley Meng του UC San Diego.
«Σε εργαστηριακές δοκιμές, η βελτιωμένη κάθοδος διατήρησε σημαντικά περισσότερο φορτίο και διατήρησε το μεγαλύτερο μέρος της χωρητικότητάς της μετά από πολλούς κύκλους, ακόμη και υπό απαιτητικές συνθήκες υψηλής τάσης που συνήθως προκαλούν ταχύτερη διάσπαση των υλικών νατρίου».
Η πρόκληση για τους ερευνητές ήταν να κατανοήσουν ακριβώς γιατί αυτές οι μικρές χημικές αλλαγές είχαν τόσο μεγάλο αντίκτυπο στην απόδοση.
Εκεί ήρθε η Expanse. Χρησιμοποιώντας υπολογιστικές κατανομές μέσω του προγράμματος ACCESS του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών των ΗΠΑ, η ομάδα εκτέλεσε προσομοιώσεις μεγάλης κλίμακας της κίνησης ιόντων νατρίου μέσω της κρυσταλλικής δομής του υλικού κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση.
Η τεχνητή νοημοσύνη επιταχύνει την ανακάλυψη
Οι προσομοιώσεις βασίστηκαν σε μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης γνωστά ως δυναμικά θεμελίωσης, τα οποία μπορούν να εκτελούν υπολογισμούς σε επίπεδο ατόμου ταχύτερα και με χαμηλότερο κόστος από τις παραδοσιακές υπολογιστικές μεθόδους.
Οι ερευνητές δήλωσαν ότι η ψηφιακή μοντελοποίηση έδειξε ότι το λίθιο και το τιτάνιο βοήθησαν τα ιόντα νατρίου να κινούνται πιο ελεύθερα, ενώ παράλληλα εμπόδισαν την κατάρρευση του κρυσταλλικού πλαισίου κατά την επαναλαμβανόμενη χρήση.
«Περιορίζοντας τα πολλά υποσχόμενα σχέδια στο Expanse πριν κατευθυνθούμε στο εργαστήριο, καταφέραμε να κινηθούμε πολύ πιο γρήγορα από ό,τι αν είχαμε βασιστεί μόνο στη δοκιμή και το λάθος», δήλωσε ο Shyue Ping Ong, καθηγητής του UC San Diego και συνεργάτης στο έργο.
«Τα αποτελέσματά μας δείχνουν μια πρακτική οδό για τη βελτίωση των μπαταριών ιόντων νατρίου, καθιστώντας πιο εφικτή την κατασκευή μεγάλων πάρκων μπαταριών που αποθηκεύουν ανανεώσιμη ενέργεια και την απελευθερώνουν όταν δεν λάμπει ο ήλιος ή δεν φυσάει ο άνεμος».
Η εργασία υπογραμμίζει επίσης πώς οι υπερυπολογιστές γίνονται βασικά εργαλεία στην ανάπτυξη μπαταριών. Αντί να βασίζονται μόνο σε εργαστηριακά πειράματα, οι επιστήμονες μπορούν πλέον να προσομοιώνουν χιλιάδες πιθανούς συνδυασμούς υλικών πριν κατασκευάσουν πρωτότυπα.
Αυτό θα μπορούσε να συντομεύσει τα χρονοδιαγράμματα ανάπτυξης για μπαταρίες επόμενης γενιάς που χρησιμοποιούνται σε συστήματα δημιουργίας αντιγράφων ασφαλείας δικτύου, αποθήκευση ανανεώσιμης ενέργειας και μελλοντικά ηλεκτρικά οχήματα.
www.worldenergynews.gr
