Ученые из НИУ ВШЭ придумали, как точнее предсказывать электропроводность растворов электролитов
Исследователи из МИЭМ НИУ ВШЭ разработали модель для расчета электропроводности водных растворов электролитов, которая впервые учитывает распределение зарядов ионов в пространстве, а не их локализацию в одной точке. При этом модель работает даже при высоких концентрациях электролита и в широком диапазоне температур. Разработка поможет создавать более эффективные аккумуляторы, а также рассчитывать электропроводность без проведения экспериментов. Исследование опубликовано в журнале The Journal of Chemical Physics.
Электролиты — вещества, которые при растворении в воде распадаются на заряженные частицы, называемые ионами. Под воздействием электрического поля ионы могут перемещаться в растворе и создавать электрический ток. Благодаря этому свойству ионы участвуют в работе нервов и мышц, поддержании водного баланса, помогают хранить и высвобождать энергию в аккумуляторах, а в системах опреснения — очищать воду.
Электропроводность раствора электролита — это величина, отражающая его способность проводить электрический ток. Классические теории расчета электропроводности хорошо работают при низких концентрациях, но с увеличением концентрации возникают эффекты, которые эти теории не учитывают, что приводит к расхождениям с экспериментальными данными. Из-за этого в системах, где нет данных об электропроводности или где измерения затруднены, получить точную информацию сложно.
Юрий Будков
Ученые из НИУ ВШЭ создали новую модель, которая позволяет рассчитывать электропроводность водных растворов электролитов, основываясь на теории Дебая — Хюккеля — Онзагера. В своей модели они учли специфические взаимодействия между ионами, процесс связывания воды с ионами (гидратацию) и распределение их зарядов в пространстве. В отличие от классической теории Дебая — Хюккеля — Онзагера, модифицированная теория предполагает, что заряды ионов не сосредоточены в одной точке, а распределены в виде облаков, которые можно описать с помощью специальной математической функции.
«Мы решили не проводить сложные вычисления функции распределения заряда ионов из первых принципов квантовой химии, а попытаться подогнать ее, изменяя параметр “размазывания” заряда», — объясняет Юрий Будков, один из авторов статьи, ведущий научный сотрудник Лаборатории вычислительной физики МИЭМ НИУ ВШЭ.
По его словам, введение функции распределения заряда ионов в теорию соответствует современным представлениям о строении вещества, основанным на квантовой теории многоэлектронных систем. Новая модель не только точно воспроизводит экспериментальные зависимости электропроводности от концентрации при фиксированной температуре, но и хорошо предсказывает электропроводность водных электролитов при различных температурах и зарядах ионов. Для растворов солей хлорида натрия, калия и лития полученные данные согласуются с экспериментальными вплоть до концентраций 4 моль/литр, что является лучшим результатом на данный момент.
В будущем ученые планируют улучшить модель для неводных растворов электролитов и адаптировать ее для многокомпонентных электролитных систем. Это важно с практической точки зрения, поскольку такие системы применяются в аккумуляторах, суперконденсаторах и других устройствах хранения энергии, где точные расчеты электропроводности критичны для повышения эффективности и долговечности.