Описаны результаты суперкомпьютерного моделирования нанокомпозитных материалов на основе углерода и кремния (агрегаты чистого кремния различной морфологии и размерности, нанопроволоки со стержнем на основе карбида кремния и кремниевой оболочкой, кремниевые наностержни с ядром из карбида кремния, углеродные нанотрубки с окружением слоем кремниевых кластеров), применяемых при создании Li-ионных источников тока новых типов с повышенными эксплуатационностоимостными характеристиками. Сделаны анализ вычислительной сложности и эффективности распараллеливания, а также применения различных способов компьютерного моделирования.
Суперкомпьютерное моделирование нанокомпозитов на основе углерода и кремния в Li-ионных источниках тока нового типа* ловий; варианты течения реакций и т.п. Экспериментальное (аналоговое) моделирование влияния различных факторов на свойства композитных систем – компонентов Li-ионных источников тока и процессов, проходящих в них, ставит трудоемкие и затратные задачи, которые либо наблюдают брутто-эффект, либо фрагментарно решаются в лабораторных экспериментах (с косвенным получением информации о механизмах и структурах), либо вообще не имеют достоверного аналитического описания. Поэтому в условиях недостатка корректных лабораторных данных существенную помощь в определении характеристик процессов и оценки влияния отдельных факторов на свойства изучаемой системы способны оказать современные численные методы квантово-химического и молекулярно-динамического моделирования с высокой степенью детализации. Эти методы позволяют получить новые теоретические данные о строении и свойствах наноструктурированных катодно-анодных систем и ионпроводящих твердых электролитов и впоследствии разрабатывать новые высокоэффективные материалы для различных электрохимических устройств. Детальное моделирование на микроуровне элементарных процессов и механизмов литирования/делитирования и ион-транспортных процессов в Li-ионных источниках тока ведет к улучшению контроля над химическими реакциями внутри последних и делает возможным конструирование наиболее оптимальных анодных материалов с точки зрения эффективности генерации электричества, процессов литирования, устойчивости материалов в процессе многочисленных циклов зарядки-разрядки, ценообразования конструктивных материалов и экологичности процессов утилизации ЛИА. Также создаваемые модели могут быть проанализированы на адекватность путем сопоставления их (и смоделированных на их основе свойств материалов) с наблюдаемыми аналитическими, экспериментальными и теоретическими данными, полученными из литературных источников.
Ранее подобное компьютерное моделирование ограничивалось катастрофической недостаточностью вычислительных ресурсов, поскольку даже в упрощенном виде время расчета поведения небольших атомных кластеров типа Si7-126 определялось месяцами, а моделирование систем в целом (с размерностью до тысяч атомов) оценивается ориентировочно до n∙106 CPU-часов в год, и только в последнее время подобное моделирование стало целесообразным с использованием высокопроизводительных суперкомпьютерных центров и грид-полигонов. В настоящее время использование вычислительных ресурсов тера- и петафлопсной мощности позволяет проводить достаточно детальное моделирование как геометрии и энергетических характеристик моделируемых наноструктур, так и влияния различных факторов и процессов, происходящих в них, на различные параметры, определяющие эффективность создаваемых ЛИА.
Для выполнения поставленной цели авторы проводят с использованием прикладных пакетов VASP, CPMD, Gaussian на ряде высокопроизводительных ресурсов детальное квантовохимическое моделирование различных наносистем на основе углерода и кремния как в кластерном приближении, так и с периодическими граничными условиями с базисом проектированных плоских волн (PAW). В качестве объектов компьютерного моделирования рассматриваются композиты на основе углерода и кремния, способные адсорбировать литий в большом количестве без разрушений (наночастицы, нанотрубки, нанопроволоки и кристаллические поверхности) и являющиеся перспективными материалами для литий-ионных аккумуляторов. Моделирование проводится в том числе с использованием создаваемого авторами вычислительного комплекса, основанного на применении новейших прикладных пакетов в области квантовой химии и молекулярной динамики, «гибридных» вычислительных технологий, вебсервисов, хранилищ данных, средств визуализации результатов и т.п. Использование высокопроизводительных ресурсов (суперкомпьютеров, проблемно-ориентированных кластеров и гибридных установок) позволяет в значительной степени повысить детализацию и качество создаваемых моделей нанообъектов и процессов, их сопровождающих, а также провести решение задач, ранее недоступных из-за вычислительной сложности.
В процессе выполнения работ по данной тематике выполнено более 1000 вычислительных экспериментов длительностью от нескольких часов до нескольких месяцев на разнородных вычислительных ресурсах (суперкомпьютерные кластеры и высокопроизводительные гибридные установки ИПХФ РАН, СК «Ломоносов» СКЦ МГУ, МВС-100 МСЦ РАН). На основании проведенных вычислений построены компьютерные модели различных типов рыхлых нанокомпозитных материалов на основе углерода и кремния, включая: 1) 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; 2) 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; 3) углеродные нанотрубки УНТ размерностью (6,6) и диаметром 0.8 нм, окруженные слоем кремниевых кластеров различной размерности; 4) нанопроволоки со стержнем на основе карбида кремния и кремниевой оболочкой.
Моделирование нанокомпозитных материалов и процессов, происходящих в них, позволяет в дальнейшем провести построение полномасштабной компьютерной модели ионного транспорта в литий-ионных аккумуляторах на основе новых перспективных материалов, обеспечивающей прогнозирование количественных характеристик устройства и выявление лимитирующих процессов, влияющих на эксплуатационные свойства устройств. Результатом моделирования также является понимание комплекса процессов, происходящих в источниках тока, установление влияния различных факторов на свойства изучаемых материалов, а также накопление теоретических знаний о процессах в этих объектах, что позволит сформировать рекомендации по созданию высокоэффективных, долговечных и экономически целесообразных энергопитающих устройств. Исследование строения и свойств электродных и электролитных материалов, а также механизмов и параметров процессов внутри них позволит сформулировать основы для создания экономически выгодных в производстве литий-ионных батарей, обладающих повышенной стабильностью, эффективностью и долговечностью. 2. Компьютерное моделирование нанокомпозитов на базе кремния и углерода Очень кратко о принципах действия Li-ионных источников тока.
Рис. 1. Принципиальная схема Li-ионного источника тока При заряде Li-ионного аккумулятора происходят следующие реакции:
на положительных пластинах: LiMeO2 → Li1-xMeO2 + xLi+ + xeна отрицательных пластинах: С + xLi+ + xe- → CLix При разряде происходят обратные реакции. Поэтому процессы литирования (насыщения литием) и делитирования (возврат лития в электролит и на катод) являются во многом основополагающими в определении большинства свойств компонентов ЛИА.
Наиболее актуальными (в области материаловедения [
Другими возможными способами повышения долговечности анодной системы является использование армирующих анод нанокомпонентов – углеродных нанотрубок, удерживающих кластеры кремния, или нитей на основе углерода или карбида кремния с кремниевой же оболочкой, также имеющих рыхлую структуру. Возможности по созданию подобных материалов пока остаются практически неизученными и лежат на переднем фронте исследований. 2.1 Методы моделирования
В настоящее время проводится моделирование потенциальных кандидатов среди нанокомпозитных материалов на основе кремния и углерода, а также основных механизмов процессов, происходящих в Li-ионных источниках тока при переносе ионов лития в твердых электролитах и взаимодействии лития с различными вариантами поверхностей анода. Построение моделей проводится методами квантово-химического компьютерного моделирования на ресурсах ВЦ ИПХФ РАН, на суперкомпьютерных установках НИВЦ МГУ «Ломоносов» и «Чебышёв» [5] и МВС-100К МСЦ РАН с применением прикладных программных пакетов (ППП) VASP (Vienna Ab initio Simulation Package, https://www.vasp.at), CPMD (http://www.cpmd.org) и Gaussian (http://www.gaussian.com – см. ниже).
ППП VASP давно используется авторами для моделирования материалов и компонентов сложных электрохимических объектов[6,7]. Он предназначен для моделирования различных процессов в объеме и на поверхности твердых тел (прежде всего катализа и ионной проводимости) в рамках неэмпирических подходов, основанных на применении функционалов плотности с использованием периодических граничных условий с базисами плоских волн. ППП VASP позволяет проводить оптимизацию структуры и выполнять моделирование в рамках молекулярной динамики. Метод основан на приближении локальной плотности (при конечных температурах), при этом свободная энергия считается вариационным параметром, и на каждом шаге выполняется точная оценка мгновенного электронного основного состояния. В программе VASP используется эффективная схема диагонализации матриц и эффективная схема смешивания электронной плотности Pulay/Broyden, а также значительно улучшены процедуры сходимости процессов ССП (самосогласованного поля) и оптимизации, что существенно повышает эффективность расчетов. Пакет обеспечивает хорошую точность описания структурных и энергетических характеристик систем, включающих до нескольких сотен атомов.
Для моделирования строения и свойств металлических частиц наиболее удачными являются функционалы, настроенные на передачу поведения обменно-корреляционного потенциала электронного газа. Одним из таких функционалов является PBE (Perdew – Burke – Ernzerhof), который для диэлектриков и полупроводников работает примерно с той же точностью, что и B3LYP (трехпараметрический функционал Becke – Lee – Yang – Parr), а для металлов дает существенно меньшие погрешности (для металлов отклонения от эксперимента с использованием PBE не превышают 5-15%, а для B3LYP могут достигать 45%), к тому же PBE лучше настроен на передачу поведения обменно-корреляционного потенциала электронного газа, что важно для источников тока. При моделировании был использован базис «hard» проектированных присоединенных волн (projector-augmented wave, PAW), в котором используются псевдопотенциалы с включением проекционных операторов на остовные состояния, что имитирует ортогональность валентных состояний к остовным. Этот подход эквивалентен по точности расчетам с использованием линеаризованных присоединенных плоских волн с полноэлектронным потенциалом (FLAPW – full-potential linearized augmented-planewave method). Предел по энергии (Ес), определяющий полноту базисного набора, выбирался равным 400 эВ. Поскольку металлические кластеры обычно имеют набор близких по энергии состояний разной мультиплетности, моделирование выполнялось с усреднением по таким состояниям.
В первую очередь при моделировании кластеров Sin для n=2÷350 проводилась полная оптимизация геометрических и энергетических параметров рассматриваемых молекул в рамках заданного базиса и метода расчета.
Для сравнения и оценки точности было выполнено также моделирование некоторых нанообъектов на уровне DFT/B3LYP с помощью программного комплекса Gaussian. Сравнение различных уровней расчета показало, что расчетные значения, использующиеся в программных комплексах VASP и Gaussian, для средних энергий связи и расстояний в идентичных объектах дают согласующиеся результаты с точностью до 0.02–0.04 эВ и 0.005–0.01 Å соответственно. Следует заметить, что отличия результатов расчетов на уровнях B3LYP/6-31G(d,p), PBE/631G(d,p) и PBE/PAW не превышают 0-2% в расстояниях и 1-13% – в энергиях. Выбранный уровень расчета обеспечивает следующую точность расчета: рассчитанные значения параметров решетки кристаллического Si равны a=b=c=5.48 Ǻ (эксперимент: 5.43 Ǻ), расстояние Si-Si=2.37 Ǻ (эксперимент: 2.34 Ǻ), энергия кристаллообразования равна 4.44 эВ (эксперимент: 4.52 эВ). 2.2 Вычислительная сложность и эффективность вычислений
Коротко охарактеризуем вычислительную сложность и эффективность использования вычислительных ресурсов в процессе квантово-химического моделирования изученных структур. На кластере ИПХФ (176 двухпроцессорных узлов HP Proliant – всего 1472 ядра на основе 4- и 6-ядерных процессоров Intel Xeon 5450 и 5670 частотой 3 ГГц, с оперативной памятью 8 и 12 Гбайт на узел; коммуникационная сеть Infiniband DDR, транспортная и управляющая сети – Gigabit Ethernet; жесткие диски – не менее 36 Гбайт на узел), а также суперкомпьютерных установках «Ломоносов» и «Чебышёв» при проведении расчетов были использованы различные пулы процессоров (от 8 до 64 CPU) с обязательным наличием локальных дисков и объемом RAM не менее 2 Гбайт на ядро. Достаточное эффективное ускорение пакета VASP для данного типа задач наблюдалось до 40-48 CPU (аналогично ранее проводимым авторами расчетам по моделированию катализаторов топливных элементов [6,7]). Дальнейший рост эффективности распараллеливания задач лимитируется (и даже снижается) скоростью обмена данными между узлами ввиду значительного роста объема пересылаемых данных. Таким образом, увеличение количества CPU сверх 40 пока лишено смысла (по крайней мере, для данного варианта постановки задач). Среднее эффективное время расчета кластеров Sin (n=2÷350) и нановолокон возрастало с увеличением размерности кластера кремния до 4 суток (78 часов на основе 4- ядерных процессоров Intel Xeon 5450 с частотой 3 ГГц) и более (с учетом усложнения структуры и межкластерного взаимодействия), предполагаемое же время расчета литированных крупных мезоструктур кремния и агрегатов, армированных нанотрубками или нанопроволоками, может увеличиться до десятков суток.
Следует отметить, что, к сожалению, на момент написания данной статьи в ППП VASP поддержка «гибридных» моделей вычислений осуществляется только на уровне бетатестирования и не входит в распространяемый вариант пакета, поэтому использование GPUакселераторов пока неэффективно. 3. Результаты компьютерного моделирования 3.1 Квантово-химическое моделирование наноструктурированного кремния Sin (n=2÷350)
В результате проведенных вычислительных экспериментов [
Образование кристалла из цепочек (параллельные ожерелья из кластеров Si7) приводит к увеличению прочности связи между кластерами до 0.50 эВ при длине связи между кластерами вдоль цепочки Si-Si=2.34 Ǻ. Рис. 3. Модели крупных мезоструктур кремния Sin (n = 49, 56, 91, 105, 112) типа «снежный ком» на основе кластеров Si7. Модели получены в результате авторского компьютерного моделирования с использованием ППП VASP (уровень расчета PBE/PAW). 56.1, -3.84 «снежного кома», часть кластеров измельчается для обеспечения лучших контактов, в результате чего растет энергия связи Eb(Si7), приходящаяся на один кластер Si7.
Взаимодействие «снежного кома» с молекулами лития приводит к ослаблению связей между формирующими его кластерами и распределению атомов лития по их поверхности. Энергия связи кремния с литием больше чем энергия связи образующих "снежный ком" кластеров Sin между собой, поэтому его присутствие может приводить к разрыву связей между кластерами, деформации кластеров и их дроблению на более мелкие. Небольшое количество лития безбарьерно проходит сквозь «снежный ком» (рис.5) без заметной его деформации. При соотношении Li:Si>1:1 некоторые кластеры после нескольких циклов литирования/делитирования начинают измельчаться, при этом объем «снежного кома» меняется незначительно.
Рис. 5. Расчет взаимодействия частиц Li2 с кластером (Si7)3.
В области компьютерного моделирования агрегатов чистого кремния проведено исследование кластеров кремния малых и средних размеров. В рамках метода функционала плотности с учетом градиентной коррекции (PBE//PAW, B3LYP//6-31G**) и периодических граничных условий рассчитано строение кластеров Sin (n=2÷308) типа «снежный ком» и core/shell. По результатам моделирования показано, что кластеры средних размеров типа “снежный ком” (с диаметром D до 29 Ǻ) энергетически выгодно строить из малых кластеров типа Si4, Si6, Si7, Si9 и т.д. Кластеры Si2 и Si5 составлены из нейтральных (или квазинейтральных т.е. ковалентно связаных) атомов, большинство остальных кластеров содержат как нейтральные, так и заряженные атомы, и связи в них имеют заметную ионную составляющую. Во всех кластерах положительно заряженные атомы в основном расположены на периферии, а отрицательно заряженные – ближе к центру. Эта тенденция сохраняется и для более крупных кластеров. В кластерах среднего размера (n=70-350) заряды меняются синусоидально от положительного до отрицательного через нейтральный, постепенно затухая от края к центру. При образовании «снежного кома» по мере увеличения количества атомов формирующие его малые кластеры переходят друг в друга, искажаются или дробятся на более мелкие. Для кластеров Sin (n≥105) с диаметром описанной сферы D ≥17-20 Ǻ изомеры типа «ядро/оболочка» (core/shell), для которых в центре начинают формироваться области нейтральных четырехкоординированных атомов с квазикристаллическим строением, энергетически становятся более выгодны, чем «снежный ком».
Однако, структуры типа «снежный ком» выбраны авторами для дальнейшего изучения процесса (де)литирования как теоретически более предпочтительные, чем структуры типа ядро/оболочка, которые на своей поверхности покрыты малыми кластерами, аналогичными структурным единицам «снежного кома». 3.2 Компьютерное моделирование кремниевых кластеров с ядром из карбида кремния
Было выполнено компьютерное моделирование кремниевых наностержней с ядром из карбида кремния (стержней) диаметром 1.2÷2.8 нм и нановолокон типа [SinCm]k (k=∞) для n/m=1÷3. (рис.6) 2.40 2.37 1.38 Было показано, что бесконечные нановолокна SinCm имеют большое количество пустот, перспективных с точки зрения накопления ионов лития без заметных изменений параметров решетки и ширину запрещенной зоны, близкую к нулю, т.е. их электронная проводимость должна быть лучше, чем у кристаллов кремния, что весьма желательно для электродных материалов. 3.3 Моделирование углеродных нанотрубок, окруженных слоем кремния В области моделирования углеродных нанотрубок (УНТ), окруженных слоем кремния, выполнено компьютерное моделирование проводящей углеродной нанотрубки (6,6 – диаметр 0.8 нм), покрытой слоями кремния (рис.7). Было рассмотрено взаимодействие кластеров кремния с одной из одностенных нанотрубок такого типа, а именно УНТ (6,6) с диаметром ~ 8.2 Ǻ. Энергия связи единичного атома кремния с УНТ оказалась очень низкой (~ 1.4 эВ), гораздо ниже, чем в кристалле кремния.
Установлено, что УНТ при отсутствии дефектов не способны прочно удерживать кластеры кремний на своей поверхности, и можно ожидать, что кремниевая оболочка вокруг УНТ будет трансформироваться в набор слабо связанных кластеров, что отрицательно сказывается на возможности использования нанотрубок в качестве материалов для анодных нанокомпозитов. Si120/C120
Si168/C120
Si288/C12 Рис. 7. Примеры смоделированных фрагментов УНТ(6,6), окруженных кремниевой оболочкой 3.4 Моделирование нанопроволок со стержнем на основе карбида кремния и кремниевой оболочкой
На основе ряда вычислительных экспериментов проведено моделирование взаимодействия от одного до четырех слоев кремния с поверхностью карбида кремния. Карбид кремния является весьма прочным и химически стойким материалом, поэтому его нановолокна тоже представляют интерес как армирующие элементы для создания кремнийсодержащего композита. На этом этапе было выполнено моделирование стехиометрической поверхности 110 кристалла SiC и рассмотрено ее взаимодействие с литием. По результатам моделирования ясно, что кремний прочно адсорбируется на поверхности карбида кремния, формируя рыхлую структуру, которая может рассматриваться как покрытие нанокластерами, поэтому данные структуры перспективны для дальнейшего моделирования процессов насыщения нанокомпозитов Li-ионами. 3.5. Основные результаты компьютерного моделирования рыхлых нанокомпозитов на основе кремния и углерода
Согласно полученным результатам моделирования, углеродные нанотрубки слабо удерживают кремний и малоперспективны для его армирования. Энергетически гораздо более выгодно формирование стержней из кремния, которые более стабильны, чем кластеры сопоставимых размеров, и по величине энергии разделения на атомы приближаются к кристаллу. Кроме того, ширина запрещенной зоны у них близка к нулю, и их электронная проводимость должна быть лучше, чем у кристаллов кремния. Поэтому необходимо дальнейшее изучение кремниевых стержней как перспективного анодного материала. В отличие от нанотрубок, поверхность SiC прочно удерживает кремний, образующий на ней рыхлый слой. Низкую проводимость карбида кремния можно существенно повысить с помощью допирования азотом. Показано, что бесконечные нановолокна SinCm имеют большое количество пустот, перспективных с точки зрения накопления ионов лития без заметных изменений параметров решетки и ширину запрещенной зоны близкую к нулю, т.е. их электронная проводимость должна быть лучше, чем у кристаллов кремния. И стержни, и нановолокна покрыты нанокластерами кремния, поэтому необходимо досконально изучить процессы насыщения литием рыхлых нанокластеров, которые являются ключом к выявлению наиболее перспективных типов наноматериалов. 4. Построение среды компьютерного моделирования нанокомпозитных материалов на базе комплекса вычислительных сервисов и высокоуровневых веб-интерфейсов
Для проведения высокоэффективных квантово-химических расчетов на суперкомпьютерных ресурсах авторами была разработана оптимальная на текущий момент структура вычислительного комплекса для компьютерного моделирования нанокомпозитов, обеспечивающего облегченный и дружелюбный пользователю доступ химиков-исследователей к вычислительным сервисам, позволяющим проводить широкомасштабные квантово-химические и молекулярно-динамические расчеты в гетерогенных вычислительных средах для моделирования наноматериалов на основе углерода и кремния и твердых электролитов ЛИА. Модульный характер структуры комплекса (рис. 8) позволяет во многом уже на данном этапе проекта производить требуемые химиками-исследователями объемы вычислений для построения адекватных моделей исследуемых наноматериалов и наноструктур, использовать наиболее перспективные вычислительные технологии, обеспечить надлежащие уровни защиты создаваемых компонент комплекса, предоставить пользователям наиболее благоприятный на текущий момент режим проведения ресурсоемких вычислений, ввода данных и обработки результатов, предоставить доступ к упрощенной системе визуализации смоделированных наноструктур. Рис. 8. Модульная структура программно-аппаратного вычислительного комплекса для моделирования абсорбционных и транспортных свойств твердых электролитов и наноструктурированных электродов на основе углерода и кремния в ЛИА Подобный комплекс способен работать как в «одиночном» режиме (с вовлечением локальных ресурсов – кластеров, «гибридных» GPU-установок, мультиядерных высокопроизводительных станций), так и с удаленными ресурсами (при условии соблюдения достаточных мер безопасности) и (при установке промежуточного Grid-middleware – шлюзы, ресурсные гридсайты, грид-хранилища) в составе грид-полигонов. При этом доступ к ресурсам, а также управление комплексом осуществляется через высокоуровневые, дружелюбные конечному пользователю веб-интерфейсы.
Среда объединяет вычислительные сервисы, созданные на основе прикладных квантовохимических и молекулярно-динамических пакетов (пакеты VASP, CPMD), в том числе с применением «гибридных» технологий расчетов на основе GPU- и мультиядерных ускорителей; интернет-ориентированный инструментарий для пользовательского доступа к этим сервисам в виде комплекса высокоуровневых веб-интерфейсов; средства размещения, хранения и обработки первичных данных и полученных результатов. В состав высокоуровневых веб-интерфейсов помимо стандартных приемов дистанционной работы с прикладными пакетами вводятся дружелюбные пользователю средства по формированию и тестированию сложных конфигурационных файлов и массивов входящих данных, инструменты анализа и предварительной обработки полученных результатов. Также доступны средства запуска и мониторинга выполняемых заданий. Заключение
Таким образом, на основе большого количества вычислительных экспериментов методами квантово-химического компьютерного моделирования проведены расчеты различных нанообъектов на основе углерода и кремния с различной морфологией, пространственной жесткостью, энергетическими характеристиками, потенциальной способностью к насыщению ионами лития. Рассчитанные модели будут использованы при моделировании полной картины процессов литирования и делитирования в Li-ионных элементах, взаимодействия ионов лития с поверхностями углеродных и кремниевых наноматериалов, определении «емкости» полученных анодных материалов, дальнейшем моделировании комплексных анодов с использованием армирования кластеров кремния наноструктурами типа нанотрубок и нанопроволок из кремния и углерода. Результаты моделирования будут также использованы для определения условий оптимального синтеза и производства наиболее энергетически выгодных и промышленно пригодных анодных материалов новых типов Li-ионных источников тока. Литература Supercomputer simulation of nanocomposites on the basis of carbon and silicon in new types of Li-ion power sources Dmitry Varlamov, Vadim Volokhov, Tatiana Zyubina, Alexander Zyubin, Alexander Volokhov and Gennady Pokatovich Keywords: computer simulation, silicon-carbon nanocomposites, Li-ion power sources, VASP applied package, quantum chemistry The results of a supercomputer simulation of nanocomposite materials based on carbon and silicon (pure silicon aggregates of various morphology and dimensionality, nanowires with a rod of silicon carbide and silicon coated, silicon nanorods with a core from silicon carbide, carbon nanotubes surrounded by a layer of silicon clusters) applied in case of creation of Liion sources of current of new types with the raised operational and cost characteristics are described. Are made the analysis of computational complexity and efficiency of parallelization, and also application of different methods of modeling.