Этап №1

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 28 ноября 2014 года №14.607.21.0102 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №1 в период с 28.11.2014 по 31.12.2014 выполнялись следующие работы:

По п.1.1. ПГ: Выполнен анализ литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР в области моделирования наносистем.

По п.1.2. ПГ: Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.

По п.1.3. ПГ: Сделаны обоснование и выбор направлений исследований и методов решения поставленной задачи.

По п.1.4. ПГ: Произведены адаптация аппаратно-программных ресурсов вычислительных мощностей ИПХФ для проведения расчетов в рамках ПНИЭР. Произведена установка, отладка, тестирование на вычислительных ресурсах предлагаемых компонентов комплекса вычислительных сервисов.

По п.1.6. ПГ: Произведен анализ программных компонентов комплекса вычислительных сервисов для моделирования наноматериалов и наноструктур.

По п.1.7. ПГ: Произведена разработка структуры вычислительного комплекса для моделирования, стратегии его построения и принципов взаимодействия его программных компонентов.

При этом были получены следующие результаты:
1) Проведен анализ литературы в области исследования процессов в Li-ионных аккумуляторах и батареях, подтвердивший обоснованность выбора системы перспективной для построения новых источников тока. Обоснован выбор направлений исследований и методов решения задач. Проведен анализ литературы в области обработки результатов квантово-химических и молекулярно-динамических расчетов на предмет их дальнейшей визуализации. Произведен выбор архитектуры и средств разработки системы поддержки квантово-химических расчетов. Проведена адаптация аппаратно-программных ресурсов вычислительных мощностей ИПХФ для проведения расчетов. Получены результаты анализа программных компонентов вычислительных сервисов для моделирования наноматериалов и наноструктур. Составлен акт установки, отладки, тестирования на вычислительных ресурсах предлагаемых компонентов комплекса вычислительных сервисов. Сделан отчет о патентных исследованиях в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
2) Сформулированы 4 основных направления в части компьютерного квантово-химического и молекулярно-динамического моделирования абсорбционных и транспортных свойств твердых электролитов и наноструктурированных электродов на основе углерода и кремния в Li-ионных аккумуляторах и батареях на последующих этапах проекта:
а) Моделирование геометрии, энергетических и электронных характеристик наночастиц (NPs) и нанокластеров Si различной размерности (от 2 атомов до сотен), средний размер которых составляет около 1 нм (при этом дисперсия размеров не превышает 20%). Также должны быть смоделированы процессы интеркалации лития в электродные материалы на основе наночастиц кремния для определения оптимальных условий прохождения данного процесса в обратимом варианте.
б) Моделирование нанокомпозитных кремний-углеродных (Si-C) «кораллов», полученных из наночастиц Si, на наноуровне связанных с разветвленным углеродным каркасом (для быстрого доступа ионов Li к частицам).
в) Моделирование «гибридных», обогащенных Si углеродных (SRC) нановолокон (NFs), которые имеют хорошие зарядово-транспортные свойства в силу наличия 1D (мономерной) углеродной магистральной структуры с доменами дисперсных Si NP.
г) Моделирование электролитов состава Li10GeP2S12 и близких как наиболее перспективного среди изученных твердых электролитов на основе нанокристаллических порошков, керамик, стекол и стеклокерамик с достаточно высокой проводимостью по ионам лития (типа тио-лисикон Li3.25Ge0.25P0.75S4, стеклокерамика Li7P3S11, стекла Li2S-SiS2-Li3PO4).
3) Применяемые нами методы позволяют получить новые теоретические данные о строении и свойствах наноструктурированных катодно-анодных систем и ионпроводящих твердых электролитов и разрабатывать новые высокоэффективные материалы для различных электрохимических устройств. Детальное квантово-химическое моделирование, в том числе предусматривающее эволюцию во времени наноматериалов и наноструктур на их основе, обеспечивает выход на новый научный уровень в исследовании влияния отдельных факторов на различные свойства наносистем.
4) Полученные результаты соответствуют требованиям технического задания.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

Этап №2

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 28 ноября 2014 года №14.607.21.0102 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №2 в период с 01.01.2015 по 30.06.2015 выполнялись следующие работы:

По п.2.1. ПГ: Проведено компьютерное моделирование агрегатов чистого кремния.

По п.2.2. ПГ: Проведено компьютерное моделирование кремниевых кластеров с ядром из карбида кремния.

По п.2.3. ПГ: Проведено компьютерное моделирование углеродных нанотрубок, окруженных слоем кремния.

По п.2.4. ПГ: Проведено компьютерное моделирование нанопроволок со стержнем на основе карбида кремния и кремниевой оболочкой.

По п.2.5. ПГ: Разработан программный модуль «Сервер приложений».

По п.2.6. ПГ: Проведены исследования по применению программного модуля «Сервер приложений» для проведения квантово-химических и молекулярно-динамических расчетов на высокопроизводительных ресурсах.

При этом были получены следующие результаты:
1) На основе более чем 1000 вычислительных экспериментов с использованием высокопроизводительных вычислительных ресурсов выполнено компьютерное моделирование агрегатов чистого кремния, кремниевых кластеров с ядром из карбида кремния, углеродных нанотрубок, окруженных слоем кремния, и нанопроволок со стержнем на основе карбида кремния и кремниевой оболочкой. Создан базовый модуль «Сервер Приложений» вычислительного программно-аппаратного комплекса для моделирования и визуализации абсорбционных и транспортных свойств твердых электролитов и наноструктурированных электродов на основе углерода и кремния, обеспечивающий формирование задач по моделированию, запуск их на вычислительных ресурсах, мониторинг выполнения заданий и сбор полученных результатов. Проведены экспериментальные исследования по применению программного модуля «Сервер приложений» в форме массовых ресурсоемких вычислительных расчетов в области компьютерного моделирования нанокомпозитов для проверки функциональности и отказоустойчивости сервера приложений.
2) Построены компьютерные модели для агрегатов чистого кремния Sin различной морфологии с числом атомов кремния n = 2÷308 типа «снежный ком» и core/shell. Построены компьютерные модели кремниевых наностержней с ядром из карбида кремния (стержней) диаметром 1.2÷2.8 нм и нановолокон типа SinCm для n/m=1-3. Построены компьютерные модели углеродных нанотрубок УНТ(6,6) диаметром 0.8 нм, окруженных слоем кремниевых кластеров различной размерности. Построены компьютерные модели нанопроволок со стержнем на основе карбида кремния и кремниевой оболочкой.
Написана серия скриптов для формирования управляющих высокоуровневых интерфейсов к используемым прикладным программным пакетам квантовой химии и молекулярной динамики (ППП VASP и CPMD). Написаны и протестированы низкоуровневые интерфейсы между сервером приложений и вычислительными ресурсами для обеспечения обмена данными, управления приложениями, мониторинга ресурсов, авторизации и т.п. Проведена интеграция модуля «Сервер приложений» с высокопроизводительными вычислительными ресурсами ИПХФ – кластером производительностью 15 Тфлопс и «гибридной» вычислительной установкой на базе GPU Tesla (2.4 Тфлопс). Написаны пилотные варианты интерфейсов между модулем «Сервер приложений» и прочими компонентами вычислительного комплекса, а также созданы сервисы, позволяющие в упрощенной форме выполнять функции будущих компонентов комплекса («хранилище данных», «тонкий клиент», система визуализации). Модуль «Сервер приложений» запущен в опытную эксплуатацию для выполнения конкретных задач проекта по компьютерному моделированию нанокомпозитов, отработки взаимодействия с вновь создаваемыми компонентами вычислительного комплекса, усовершенствования программного кода и повышения функциональности формируемого вычислительного комплекса.
3) Применяемые нами методы позволяют снизить трудозатраты исследователей-химиков на проведение массовых рутинных операций при моделировании наноматериалов и нанообъектов: ввод и хранение исходных данных, подготовка вычислительных заданий, запуск и мониторинг выполнения вычислений и т.п.; а также повысить эффективность собственно процесса моделирования за счет роста степени детализации моделей, точности проводимых расчетов, возможности упрощенной визуализации смоделированных наноструктур.
4) Полученные результаты соответствуют требованиям технического задания.

Этап №3

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 28 ноября 2014 года №14.607.21.0102 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №3 в период с 01.07.2015 по 31.12.2015 выполнялись следующие работы:

По п.3.1. ПГ: Проведено компьютерное моделирование последовательного внедрения атомов лития в наноструктуры на основе кремния и углерода.

По п.3.2. ПГ: Выяснены структурные и энергетические изменения в процессе поглощения атомов лития. Определены пути и барьеры миграции атомов лития в процессе насыщения наночастицы.

По п.3.3. ПГ: Проведено компьютерное моделирование последовательного выведения атомов лития из литированных наночастиц. Определены структурные и энергетические изменения в этом процессе. Определена устойчивость наночастиц к разрушению при делитировании.

По п.3.4. ПГ: Проведено компьютерное моделирование агрегации исходных и литированных наночастиц: формирование мезоструктур на базе исходных кремний-углеродных наночастиц, формирование мезоструктур на базе литированных кремний-углеродных наночастиц.

По п.3.5. ПГ: Разработан метод математико-геометрической оценки параметров инжекционного электрода в зависимости от его микроструктуры и состава на основе моделирования внедрения ионов лития в композитные электродные материалы.

По п.3.6. ПГ: Разработан программный модуль «Хранилище данных».

По п.3.7. ПГ: Проведены исследования по применению программного модуля «Хранилище данных» для поддержки комплекса вычислительных сервисов и хранения информации.

При этом были получены следующие результаты:
1) На основе более 10000 вычислительных экспериментов на разнородных вычислительных ресурсах произведено компьютерное моделирование различных типов рыхлых нанокомпозитных материалов на основе углерода и кремния. Создан базовый модуль «Хранилище данных» вычислительного программно-аппаратного комплекса для моделирования и визуализации абсорбционных и транспортных свойств твердых электролитов и наноструктурированных электродов на основе углерода и кремния, обеспечивающий формирование задач по моделированию, запуск их на вычислительных ресурсах, мониторинг выполнения заданий и сбор полученных результатов. 2) Моделирование показало, что внедрение лития в кремний энергетически более выгодно, чем формирование слоя металлического лития на его поверхности, но по мере увеличения концентрации лития энергетическая разница снижается, т.е. внедрение становится все менее энергетически выгодным, а сетка из атомов кремния разбивается на все более мелкие фрагменты. На основании проведенных расчетов можно сказать, что внедрение лития в нанокластеры кремния происходит безбарьерно. Вызванные литированием-делитированием структурные и энергетические изменения в процессе поглощения атомов лития приводят к образованию новых более мелких фрагментов. Наиболее благоприятные пути и барьеры миграции образуются в процессе насыщения наночастицы после нескольких циклов литирования-делитирования. Бесконечные нановолокна типа [SinCm ]k (k=∞) для n=12÷16 , m=8÷19 могут быть использованы в качестве анодов в литий-ионных источниках тока, поскольку меняют объем в процессе циклирования на 6-8% начиная с третьего цикла. К практическому использованию рекомендуются аноды, прошедшие не менее 3-4 циклов литирования-делитирования, для которых относительное изменение структуры и объема при литировании уже стабилизировано и не превышает 10% начальной величины объема. На базе наночастиц кремния возможна безбарьерная агрегация лития и исходных наночастиц кремния, формирование мезоструктур на базе углеродных нитей и кремниевых наночастиц и формирование мезоструктур на базе литированных кремний-углеродных наночастиц. 3) Применяемые нами методы позволяют снизить трудозатраты исследователей-химиков на проведение массовых рутинных операций при моделировании наноматериалов и нанообъектов: ввод и хранение исходных данных, подготовка вычислительных заданий, запуск и мониторинг выполнения вычислений и т.п.; а также повысить эффективность собственно процесса моделирования за счет роста степени детализации моделей, точности проводимых расчетов, возможности упрощенной визуализации смоделированных наноструктур. 4) Полученные результаты соответствуют требованиям технического задания.

Этап №4

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 28 ноября 2014 года №14.607.21.0102 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №4 в период с 01.01.2016 по 30.06.2016 выполнялись следующие работы:

По п.4.1. ПГ: Проведено компьютерное моделирование структуры контакта поверхностей кремний-углеродных наносистем и твердых электролитов (Li10GeP2S12).

По п.4.2. ПГ: Проведено компьютерное моделирование перехода лития через границу электрод - электролит: определение каналов миграции и величин потенциальных барьеров.

По п.4.3. ПГ: Проведено компьютерное моделирование воздействия температуры на строение исходных, литированных и делитированных кремний-углеродных наносистем: изучено влияние разогрева и последующего охлаждения на структуру исходных кремний-углеродных наносистем; установлен интервал температуры, в пределах которого возможно восстановление первоначального состояния системы.

По п.4.4. ПГ: Разработан метод оценки влияния состава электролита на целевые свойства аккумулятора на основе проведенного квантово-химического исследования.

По п.4.5. ПГ: Разработан программный модуль «Тонкий клиент».

По п.4.6. ПГ:Проведены исследования по применению программного модуля «Тонкий клиент» для удаленного взаимодействия пользователей с комплексом вычислительных сервисов.

При этом были получены следующие результаты:
1) На основе более 10000 вычислительных экспериментов на разнородных вычислительных ресурсах произведено компьютерное моделирование свойств интерфейса электрод - твердый электролит и воздействия температуры. Создан базовый модуль "Тонкий клиент" вычислительного программно-аппаратного комплекса для моделирования и визуализации абсорбционных и транспортных свойств твердых электролитов и наноструктурированных электродов на основе углерода и кремния, обеспечивающий формирование задач по моделированию, запуск их на вычислительных ресурсах, мониторинг выполнения заданий и сбор полученных результатов. 2) Изучение структуры контакта поверхностей кремния и твердого электролита Li10GeP2S12 показало, что данное вещество является ионным проводником с трехмерной проводимостью, но набор электродов, с которыми может быть использован данный твердый электролит, может оказаться весьма ограниченным. Моделирование перехода лития через границу электрод – электролит, определения каналов миграции и величин потенциальных барьеров показало, что в чистом виде не удается достичь хорошего контакта твердого электролита Li10GeP2S12 с анодом в виде углеродных нитей, покрытых кремниевыми нанокластерами. В случае полимерного электролита (на основе LiНафион*диметилсульфоксид) обеспечивается достаточный контакт электролита с электродом для движения лития с барьерами порядка 0.3 эВ в электролите и 0.4 эВ при переходе их электролита в электрод. Моделирование воздействия температуры на строение кремний-углеродных наносистем и влияние разогрева и последующего охлаждения на структуру исходных кремний-углеродных наносистем на примере моделирования контакта лития с Li10GeP2S12 и LiНафион*8ДМСО показало, что часть ионов лития уходит из более твердой фазы в жидкую, но остается вблизи поверхности раздела. Установление интервала температуры, в пределах которого возможно восстановление первоначального состояния системы, проводилось на примере удаления части атомов лития с поверхности слоя LimSin и отжиге при температуре 400-900 К. Моделирование показало, что при использовании таких композитов в качестве анодных материалов соотношение Li/Si не следует снижать до величины ниже 0.5. Оценка влияния состава электролита на целевые свойства аккумулятора на основе проведенного квантово-химического исследования показала, что в объеме и на поверхности кристаллического литий-ионного проводника Li10GeP2S12 барьеры на пути миграции катионов лития невелики как вдоль, так и поперек кристаллической ячейки, и в данном соединении ионная проводимость возможна в трех измерениях. Электроды в виде кремний-углеродной бумаги и электролиты в виде LiНафион*nДМСО могут быть рекомендованы как новые перспективные претенденты для использования при создании литиевых аккумуляторов. Для модуля «Тонкий клиент» написана серия скриптов для участия модуля в формировании вычислительных заданий к используемым прикладным программным пакетам квантовой химии и молекулярной динамики, написаны и протестированы низкоуровневые интерфейсы между модулем «Тонкий клиент» и «Сервером приложений», созданы необходимые структуры служебных и информационно-справочных БД, проведена интеграция модуля с имеющимися модулями. Модуль запущен в опытную эксплуатацию для работы в рамках выполнения конкретных задач проекта по компьютерному моделированию нанокомпозитов. 3) Применяемые нами методы позволяют снизить трудозатраты исследователей-химиков на проведение массовых рутинных операций при моделировании наноматериалов и нанообъектов: ввод и хранение исходных данных, подготовка вычислительных заданий, запуск и мониторинг выполнения вычислений и т.п.; а также повысить эффективность собственно процесса моделирования за счет роста степени детализации моделей, точности проводимых расчетов, возможности упрощенной визуализации смоделированных наноструктур. 4) Полученные результаты соответствуют требованиям технического задания.

Этап №5

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 28 ноября 2014 года №14.607.21.0102 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №4 в период с 01.07.2016 по 31.12.2016 выполнялись следующие работы:

По п.5.1. ПГ: Проведено компьютерное моделирование влияния разогрева и последующего охлаждения на композитные мезоструктуры, сформированные из ранее смоделированных литированных и делитированных Si/С наносистем.

По п.5.2. ПГ: Проведена оценка возможности возврата композитных мезоструктур к исходному состоянию после многократных циклов литирования/делитирования в зависимости от степени насыщения литием и температурных условий.

По п.5.3. ПГ: Разработана компьютерная модель ионного транспорта в Li-ионных аккумуляторах и батареях.

По п.5.4. ПГ: Разработаны программа и методики испытаний компьютерной модели.

По п.5.5. ПГ: Проведены испытания разработанной компьютерной модели.

По п.5.6. ПГ: Проведена оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем.

По п.5.7. ПГ: Разработан программный модуль по визуализации абсорбционных и транспортных свойств.

По п.5.8. ПГ: Разработан проект ТЗ на проведение ОКР, в том числе технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.

По п.5.9. ПГ: Проведены исследования по применению программного модуля по визуализации абсорбционных и транспортных свойств твердых электролитов и наноструктурированных электродов на основе углерода и кремния в Li-ионных аккумуляторах и батареях.

По п.5.10. ПГ: Проведено объединение программных модулей, разработанных на этапах 2-5, в программный комплекс для моделирования и визуализации абсорбционных и транспортных свойств твердых электролитов и наноструктурированных электродов на основе углерода и кремния в Li-ионных аккумуляторах и батареях.

При этом были получены следующие результаты:
1) На основе более 100000 вычислительных экспериментов на разнородных вычислительных ресурсах произведено суперкомпьютерное квантово-химическое и молекулярно-динамическое моделирование различных транспортных, структурных и энергетических процессов,происходящих в наноструктурированных компонентах литий-ионных аккумуляторов. Построена компьютерная модель ионного транспорта, позволяющая на молекулярном уровне на основании расчета структуры и транспортных свойств электрода и электролита определить основные энергетические характеристики системы и оценить целевые свойства аккумулятора. Спроектированы и созданы базовые модули «Сервер Приложений», «Хранилище данных», «Тонкий клиент», модуль по визуализации вычислительного программно-аппаратного комплекса для моделирования и визуализации абсорбционных и транспортных свойств твердых электролитов и наноструктурированных электродов на основе углерода и кремния. 2) Построены компьютерные модели различных наноструктурированных компонентов ЛИА (составных частей электродов и электролитов ЛИА), в том числе: агрегаты чистого кремния различной морфологии (кластеры типа «снежный ком», «core/shell» и др. размером до 3 нм) с числом атомов кремния от 2 до 350; кремниевые кластеры с ядром из карбида кремния (в форме стержней) диаметром от 1.2 до 2.8 нм и нановолокна типа SinCm для n/m=1÷3; углеродные нанотрубки УНТ размерностью (6,6) и диаметром 0.8 нм, окруженные слоем кремниевых кластеров различной размерности; нанопроволоки из кремния и со стержнем на основе карбида кремния и кремниевой оболочкой; бесконечные углеродные нановолокна, покрытые нанокластерами кремния; кремний-углеродная «нанобумага»; высокопроводящие твердые электролиты на основе систем Li10GeP2S12; высокопроводящие полимерные электролиты (на основе LiНафион™* диметилсульфоксида (LiНафион* nДМСО). Проведено суперкомпьютерное квантово-химическое и молекулярно-динамическое моделирование различных транспортных, структурных и энергетических процессов, происходящих внутри этих компонентов и на интерфейсах между ними, включая: процессы транспорта и последовательного внедрения атомов лития в Si-C наноструктуры различных типов и разной размерности и выведения их обратно; пути и барьеры миграции атомов лития при насыщении наночастиц, структурные и энергетические изменения в процессе поглощения/выведения атомов лития, пределы устойчивости; формирование мезоструктур на базе ненасыщенных литием и литированных кремний-углеродных нанокомпозитных структур. Смоделированы многократные циклы миграции лития, процессов литирования/ делитирования между компонентами ЛИА как основы функционирования ЛИА. С использованием различных комбинаций вышеуказанных моделей основных компонентов (электроды и электролиты) и процессов в ЛИА построена компьютерная модель ионного транспорта, позволяющая на молекулярном уровне на основании расчета структуры и транспортных свойств электрода и электролита определить основные энергетические характеристики системы и оценить целевые свойства аккумулятора. Сравнение результатов различных вариантов моделирования позволило выделить наиболее перспективные направления построения литий-ионного аккумулятора нового типа и их характерные особенности при литировании/делитировании. Для проведения массовых вычислительных экспериментов по компьютерному квантово-химическому и молекулярно-динамическому моделированию нанокомпозитных материалов на основе углерода-кремния и твердых электролитов создан модульный программно-аппаратный комплекс для моделирования и визуализации абсорбционных и транспортных свойств твердых электролитов и наноструктурированных электродов, позволяющий химикам-исследователям эффективно проводить расчеты в области моделирования на гетерогенных вычислительных кластерах. 3) Новые наноматериалы на основе углерода и кремния, твердые электролиты и наноструктурированные компоненты ЛИА, смоделированные в ходе проекта, позволят (по оценкам авторов) существенно повысить ряд параметров ЛИА: энергоемкость (до 2,5-3 раз), количество и скорость циклов зарядки, устойчивость к внешним воздействиям при сопоставимой или даже сниженной себестоимости в сравнении с используемыми в настоящее время, что значительно повысит эффективность использования ЛИА и снизит расходы на их производство. Значительно повысится производительность труда исследователей за счет снижения доли рутинных операций в процессе моделирования, вовлечения высокопроизводительных вычислительных ресурсов, возможности существенной детализации создаваемых моделей, точности проводимых расчетов, возможности визуализации смоделированных наноструктур. Снижены трудозатраты исследователей-химиков на проведение массовых вычислительных экспериментов при моделировании наноматериалов и нанообъектов: ввод и хранение исходных данных, подготовка вычислительных заданий, обработка и сохранение результирующих файлов, оценка эффективности выполнения вычислений и т.п. 4) Полученные результаты соответствуют требованиям технического задания.