Математические модели расчета в области материалов на самом деле не редкость.
Или, можно сказать, в современной науке о материалах, будь то область химических материалов, физических материалов, биоматериалов или других смежных областей, использование математических моделей для расчета различных перекрестных реакций и оптимизации экспериментальных этапов давно не является чем-то необычным.
Модель химических материалов Научно-исследовательского института материалов Чуаньхай была создана Сюй Чуанем в ранние годы, когда он исследовал искусственную тонкую пленку SEI.
Но с началом различных "крупных проектов", таких как проект управляемого термоядерного синтеза, он почти забыл не только об этой модели химических материалов, но и о самом Научно-исследовательском институте материалов Чуаньхай.
Неожиданно, этот прорыв в литий-серных батареях, похоже, связан с забытой им моделью химических материалов.
Глядя на информацию и данные в отчете, Сюй Чуань с интересом поднял голову, посмотрел на Фань Пэнъюэ и сказал: "Расскажи мне подробно о методе и процессе, с помощью которых вы в итоге решили проблему серного материала."
Хотя все это было отправлено по электронной почте, он пришел в спешке и не успел внимательно прочитать.
Фань Пэнъюэ кивнул, кашлянул, прочистил горло и начал говорить.
"Прорыв в литий-серных батареях в основном связан с открытием одной из аллотропных модификаций серы."
"В ходе бесчисленных экспериментов научный сотрудник отдела исследований и разработок литиевых батарей по имени Цао Ижань попытался соединить серу с углеродными наноматериалами, чтобы ограничить опасный эффект серы в электролите."
"Эксперимент не удался, но в экспериментальной батарее неожиданно был обнаружен кристалл серы."
"Этот кристалл серы является простым веществом серы, называемым 'моноклинная гамма-фаза серы', и является одной из аллотропных модификаций серы."
"Поначалу никто не обратил на это внимания, ведь образование соединений серы в литий-серных батареях - обычное явление, и хотя аллотропные модификации серы встречаются редко, их образование не является невозможным."
"Только во время последующих экспериментов по зарядке и разрядке с помощью инструментов анализа больших данных было обнаружено, что эта 'моноклинная гамма-фаза серы' не реагирует с карбонатным электролитом, что устраняет риск образования полисульфидов."
Фань Пэнъюэ вкратце объяснил причину и следствие, Сюй Чуань, нахмурившись, с некоторым удивлением спросил: "Если я не ошибаюсь, 'моноклинная гамма-фаза серы' не существует стабильно при температуре 95°C, верно?"
У серы много изотопов и аллотропных модификаций, и 'моноклинная гамма-фаза серы' - одна из них.
Эта аллотропная модификация не является новым открытием, еще в прошлом веке, при добыче нефти, ученые обнаружили это вещество в природных месторождениях сырой нефти.
Однако для науки о материалах каждый год обнаруживаются или синтезируются в лабораториях сотни и тысячи новых веществ.
Не говоря уже о другом, уже обнаружено и названо несколько десятков аллотропных модификаций серы, поэтому кристалл серы, который был обнаружен давно, естественно, вряд ли привлечет внимание исследователей.
Однако последующее открытие того, что он не реагирует с карбонатным электролитом, что устраняет риск образования полисульфидов, достаточно ценно, чтобы вложить средства в создание проекта для его изучения.
Как и ожидал Сюй Чуань, Фань Пэнъюэ, сидевший на диване напротив, кивнул и сказал.
"Действительно, стабильность 'моноклинной гамма-фазы серы' - большая проблема, но ее ценность достаточно велика, чтобы вложить средства в создание проекта для ее изучения."
"Поэтому исследовательский отдел литий-серных батарей создал специальную группу для углубленного изучения 'моноклинной гамма-фазы серы', чтобы понять точный механизм, лежащий в основе образования стабильной моноклинной серы при комнатной температуре."
Сюй Чуань кивнул, ничего не сказал и продолжил слушать.
Это и есть один из нормальных этапов разработки в традиционной лаборатории материалов: накопление данных с помощью экспериментов, обнаружение аномалий, целенаправленная проверка, определение ценности, исключение, если ценности нет, и дальнейшие инвестиции, если ценность есть.
Напротив, старший брат продолжил кратко объяснять: "Однако найти механизм стабильности 'моноклинной гамма-фазы серы' при комнатной температуре сложно, и до сих пор нет никакого прогресса."
"А ключ к решению этой проблемы - в модели расчета материалов."
Помолчав, Фань Пэнъюэ отпил воды, чтобы смочить горло, и продолжил: "После открытия 'моноклинной гамма-фазы серы', по традиции института, мы внесли ее различные свойства и характеристики в ту модель расчета химических материалов, которую ты создал ранее."
"Позже, после обновления модели, с помощью суперкомпьютера было проведено моделирование стабильности материала, и в результате мы действительно нашли материал, стабилизирующий 'моноклинную гамма-фазу серы'."
Сюй Чуань, просматривая отчет в руках, увидел материал, стабилизирующий 'моноклинную гамма-фазу серы'.
Неожиданно, но предсказуемо - 'графит' из углеродных материалов!
Универсальный углеродный материал в очередной раз пригодился.
Конечно, на этот раз он был не один, помимо углеродного материала, были еще азот и натрий.
На самом деле, поскольку углерод обладает сильной способностью к связыванию и может образовывать стабильные связи с элементами, образуя органические молекулы, использование различных углеродных материалов, таких как графен, углеродные нанотрубки и т.д., для стабилизации различных соединений - обычное дело.
В литий-серных батареях использование углеродных материалов для стабилизации свойств серы всегда было одним из основных направлений исследований в крупных лабораториях и исследовательских институтах.
Если бы это было в другой области, возможно, другие лаборатории уже добились бы успеха.
Но в области аккумуляторов все совершенно иначе.
Как известно, неполярная поверхность идеальной графитовой решетки слабо взаимодействует с полярными полисульфидами, что приводит к пресловутому челночному эффекту и плохой кинетике превращения серы.
В литиевых батареях это неприемлемые недостатки, которые могут привести к риску самовозгорания и взрыва батареи при высоких температурах, снижению емкости батареи, снижению эффективности зарядки и разрядки и т.д.
Эти два фактора, можно сказать, прямо бьют по самому больному месту батареи.
Это также привело к тому, что перспективы углеродных материалов, по крайней мере графитовых материалов, в литий-серных батареях не столь радужны.
Но в моделировании и расчетах химической модели материалов графитовый материал является важной составляющей.
С помощью суперкомпьютера модель расчета химических материалов проанализировала материалы, стабилизирующие 'моноклинную гамма-фазу серы'.
Проще говоря, путем создания пятиугольных дефектов в графитовой решетке, чтобы нарушить целостность π-сопряжения, локальное распределение электронов одновременно усиливает сродство полисульфидов и ускоряет кинетику превращения серы.
Расчет DFT показывает, что по сравнению с идеальной графитовой решеткой, пятиугольные дефекты могут нарушить целостность -сопряжения, индуцировать локальное распределение электронов, тем самым способствуя сродству полисульфидов, снижая барьер превращения серы и, следовательно, улучшая характеристики накопления энергии литий-серных батарей.
Более того, в ходе эксперимента Научно-исследовательский институт материалов Чуаньхай также обнаружил, что в экспериментальной литий-серной батарее, даже в реакционной системе зарядки и разрядки, ограниченное образование соединения LiSn (n>2), которое разрушает электролит, будет накапливаться из-за адсорбции на поверхности углеродного материала с пятиугольными дефектами, скапливаясь вблизи каркаса положительного и отрицательного электродов.
Это также косвенно подавляет челночный эффект серного материала в литий-серных материалах, решая самый большой недостаток углеродных материалов в литий-серных батареях.
Перевернув ту часть, где записан анализ физико-химических свойств, Сюй Чуань посмотрел на последнюю часть испытаний литий-серных батарей. Нет необходимости говорить об этих обычных испытаниях циклов батареи, они в основном выше стандарта.
Если бы они не соответствовали стандарту, старший брат не стал бы беспокоить его.
Стоит отметить, что синтетический углеродный материал, используемый в качестве носителя серы, показал высокую обратимую емкость 2275 мАч г-1 после 100 циклов при условии 0,1C и долговременную стабильность цикла после 600 циклов при условии 3C, с низким снижением емкости всего на 0,035% за цикл.
Несомненно, эти данные обеспечивают основу для высокоэффективного катализатора батареи.
Как известно, эффективность литий-серных батарей снижается, если они не используются в течение длительного времени.
Это связано с тем, что электрохимический процесс реакции литий-серных батарей является необратимой реакцией, поэтому, если батарея не используется в течение длительного времени, ее емкость и производительность будут потеряны.
Но, судя по этим данным, углеродный материал с пятиугольными дефектами играет определенную каталитическую роль в батарее, что может значительно продлить срок хранения и срок службы батареи.
В целом, этот новый тип литий-серной батареи просто идеален!
Положив отчет об эксперименте на стол, Сюй Чуань поднял голову, посмотрел на старшего брата Фань Пэнъюэ и сказал: "Спасибо за вашу тяжелую работу, через пару дней я устрою вам праздничный банкет, все причитающиеся награды и льготы будут!"
Прорыв в литий-серных батареях, несомненно, принесет Научно-исследовательскому институту материалов Чуаньхай, то есть ему, большие деньги.
И что еще более важно, судя по экспериментальным данным, сильная полимеризационная реакция пятиугольных дефектов в графитовой решетке с различными материалами имеет широкие перспективы промышленного применения.
Основываясь на результатах этого исследования, они могут создать вокруг него серию патентов в различных областях, таких как различные соединения, производство, использование, соотношение смешивания и т.д.
А затем создать различные полные патентные барьеры в области углеродных материалов и литий-серных батарей соответственно.
Это станет новым защитным рвом Научно-исследовательского института материалов Чуаньхай!
Что еще более важно, благодаря разработке литий-серных батарей он вновь увидел "свет" модели расчета химических материалов!
Потенциал этого инструмента, о котором он когда-то забыл, в области материаловедения намного больше, чем он себе представлял!
По сравнению с самой литий-серной батареей и углеродным композитным материалом, Сюй Чуань особенно ждет именно этого.
Если судить только по разработке литий-серных батарей, то не будет преувеличением сказать, что модель расчета химических материалов является ключом ко всему процессу разработки.
Ведь найти подходящий и стабилизирующий 'моноклинную гамма-фазу серы' материал из бесчисленного множества материалов, можно сказать, сложнее, чем высадиться на Марс.
А модель расчета химических материалов сэкономила Научно-исследовательскому институту материалов Чуаньхай много времени и сил, и сразу нашла путь, который, возможно, не самый подходящий, но вполне осуществимый.
Вполне возможно, что в будущем она станет "ядерным оружием" материаловедения.
"Старший брат Фань, я поручаю тебе подачу заявок на патенты, написание и публикацию статей и т.д., касающихся литий-серных батарей, графитовых материалов с пятиугольными дефектами и т.д."
Узнав о ситуации с разработкой литий-серных батарей, Сюй Чуань дал указание: "Чем быстрее будут поданы заявки на патенты, тем лучше, институту нужен новый защитный ров, а также новый источник дохода."
Напротив, Фань Пэнъюэ кивнул и сказал: "Это не проблема, в институте есть соответствующие отделы и специалисты, которые отвечают за эти вопросы. Просто..."
Слегка помолчав, он поднял голову, посмотрел на Сюй Чуаня и спросил: "Просто после получения патента, ты будешь лично участвовать в дальнейшем продвижении?"
Ранее Сюй Чуань лично выступал с рекламой патента на искусственную тонкую пленку SEI и литий-ионные батареи, разработанные институтом.
И с точки зрения управления институтом, старший брат Фань, естественно, хотел, чтобы Сюй Чуань помог с рекламой.
Ведь с его известностью он определенно привлечет внимание всего мира.
Сюй Чуань улыбнулся и сказал: "Я не буду выступать, старший брат Фань, ты можешь сам все организовать, институт уже не тот, что был при основании, когда у него не было ни известности, ни каналов, и ему нужна была моя помощь."
"Хорошо, как хочешь."
Фань Пэнъюэ кивнул, ответил и не придал этому особого значения, хотя выступление Сюй Чуаня поможет институту, но для его личной репутации это все же окажет некоторое влияние.
Ведь в традиционном китайском представлении ученые и исследователи не должны быть связаны с бедностью, но должны быть далеки от денег.
Хотя эта тенденция неправильная, но представления, сформировавшиеся за последние несколько десятилетий, уже глубоко укоренились в сознании людей, и изменить их не так-то просто.
Поговорив некоторое время, Сюй Чуань вдруг вспомнил об одном деле и сказал: "О, кстати, что касается последующего лицензирования патента на литий-серные батареи, при выдаче лицензии добавьте одно условие."
"Говори."
Сюй Чуань: "С иностранными производителями ведите переговоры в обычном порядке, а с отечественными производителями при переговорах требуйте, чтобы производители, получающие патентную лицензию, построили завод по производству литий-серных батарей в Балине, и строго требуйте контроля загрязнения окружающей среды в процессе производства."
Услышав это, Фань Пэнъюэ с улыбкой сказал: "Младший брат заботится о развитии родного города?"
Сюй Чуань кивнул и сказал: "Да, можно и так сказать, ведь я сам родом из Балина, и если есть возможность, я могу поддержать развитие родного города."
Слегка помолчав, он продолжил: "Что касается создания и развития завода, в процессе переговоров просто скажи, что это требование выдвинул я."
"Что касается компенсации, старший брат Фань, найди кого-нибудь, кто проведет оценку, а затем увеличь компенсацию на двадцать процентов от оценочных условий, чтобы предприятия, которые согласятся на требования, не остались в убытке."
Он верил, что, учитывая его репутацию, многие отечественные производители аккумуляторов рассмотрят его просьбу, и, возможно, даже согласятся на сотрудничество в убыток себе.
Но для Сюй Чуаня сотрудничество других предприятий в убыток себе равносильно тому, что он останется в долгу.
Если можно решить вопрос деньгами, то не стоит использовать личные связи.
Особенно на его уровне с личными связями еще сложнее.
Фань Пэнъюэ кивнул и ответил: "Хорошо, я записал это требование, есть еще что-нибудь?"
Сюй Чуань: "Пока нет, сначала поторопитесь с подачей заявок на патенты в разных странах."
Фань Пэнъюэ с улыбкой сказал: "Поздравляю, младший брат, когда будут поданы заявки на патенты, связанные с литий-серными батареями, ты сможешь подняться в списке Forbes как минимум на несколько десятков позиций."
Сюй Чуань, улыбаясь, махнул рукой и сказал: "Ты же знаешь, меня не интересуют деньги~"
Обновлено: 04.04.2026