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计算材料学:高性能计算的重要应用
来源:中国网 作者: 发布时间:2017/8/22 13:33  点击数:219 次 

        随着材料应用环境的日益复杂化,材料使用性能的实验室研究也变得越来越困难,仅仅依靠实验室的实验进行材料研究已经难以满足现代新材料研究和发展的要求,而此时超级计算机则起到了至关重要的作用,通过计算模拟与设计,打通材料理论与实验的桥梁。

  计算材料学的一个重要发展方向是材料基因计划。其研究的关键是实现材料研发的“高通量”,即并发式完成“一批”而非“一个”材料样品的计算模拟、制备和表征,实现系统的筛选和优化材料,从而加快材料从发现到应用的过程。这些原先难以通过实验完成的工作,现在可以很方便的使用超级计算机来完成。例如在锂电池中,从改善安全性的角度考虑,全固态锂电池被公认为未来二次电池的重要发展方向。然而使用固体电解质材料的一个最大问题是固体电解质中锂离子电导率比常规液态电解质中低了至少一个数量级。由于锂离子的输运快慢与电池性能息息相关,因此开发兼具高离子电导率、高稳定性、高机械强度的固体电解质材料势在必行。众多研究机构近年来一直致力于将材料基因组思想用于锂电池材料的开发中,发展了基于离子输运性质的锂电池材料高通量计算流程和相关工具,使用该高通量计算工具,研究人员对无机晶体结构数据库中1000 余种含锂材料的离子输运性质进行了高通量计算筛选,搜索了可能用于下一代固态锂二次电池的固态电解质材料。对于锂离子电导率较高的硫化物,采用不同精度结合的高通量计算研究了固体电解质β-Li3PS4 的掺杂优化方案,发现氧掺杂能有效提高离子电导率和改善其热力学稳定性,并通过实验验证了该方案。

  近期,相关研究人员从上述氧掺杂硫化物的方案出发,提出了在固体电解质中引入多种阴离子共存的设计思想,并据此设计出一种全新的氧硫化物固体电解质LiAlSO材料。通过基于晶体结构预测方法的高通量计算,确定了该材料的晶体结构,并研究了其热力学稳定性、动力学稳定性和离子输运性质。计算结果显示该化合物在a轴方向具有很低的锂离子迁移势垒,属于快离子导体,有望成为固态锂电池中固体电解质的备选材料。这是基于材料基因组思想开发出的第一个全新结构的固体电解质材料,并且将固体电解质材料的研究范围拓展至氧硫化物及混合阴离子化合物的领域。

  国家超级计算深圳中心,作为全国资源利用率最高的国家级超算中心,以强大的计算平台配合中心配置的Gaussian、VASP、Materials Studio、Molpro、Spartan、Discovery Studio、Turbomole、Gamess-UK、Chemkin以及Sybyl等各类模拟软件为各大高校和研究机构提供材料科学方向的各类计算模拟服务,涉及电池材料、有机材料、无机材料、纳米管等各类材料的力学、电学、光学、磁学、热力学等各种性质的模拟和预测,广泛应用于新材料、新能源等产业领域,这为将来实现材料大数据解读提供了基础,也为我国的材料基因组计划贡献了一份力量。而在不久的将来E级机投入使用后,千倍的运算能力提升将会进一步为计算材料学研究做出难以估量的贡献。
 
图1 通过计算预测得到的(a)Pmc21空间群LiAlSO的晶体结构,沿(b)b-轴和(c)c-轴的视图以及(d)计算得到的声子谱。灰色、黄色和红色的圆球分别代表Li,S和O原子。四面体代表AlS2O2单元。(图片来源:Physical Review Letters 118, 195901 (2017))
 
图2 计算得到的Pmc21-LiAlSO的动力学性质。(a)通过BVpath程序计算得到的LiAlSO中的锂离子输运通道以及由密度泛函方法计算得到(b)Li+沿a方向由间隙离子与晶格位离子协同运动的迁移势垒,(c)Li+沿a轴方向空位迁移的势垒,(d)Li+沿c方向间隙离子迁移的势垒。(图片来源:Physical Review Letters 118, 195901 (2017))

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