Materials Studio在電池設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
Materials Studio是一個(gè)完整的多尺度模擬平臺，本文介紹了在電極材料和電解質(zhì)材料兩方面的多個(gè)應(yīng)用實(shí)例。
近年來，理論模擬已成為材料研究領(lǐng)域的重要手段，在各大頂刊發(fā)表的材料相關(guān)工作中，有約70%使用了模擬計(jì)算進(jìn)行預(yù)測或解釋分析。特別是在電池和催化領(lǐng)域，理論模擬已經(jīng)成為主要的分析和證明工具。
電池的工作機(jī)理是比較復(fù)雜的，用單一的計(jì)算工具無法進(jìn)行全面、清晰的解釋。Materials Studio是一個(gè)完整的多尺度模擬平臺，能進(jìn)行量子、原子、介觀尺度模擬。通過多尺度模擬，研究者能夠在不同空間和時(shí)間尺度下更精確的評估材料的性能。此外，Materials Studio的用戶界面操作簡單，具有強(qiáng)大的建模功能。因此建模-計(jì)算-分析整個(gè)流程都可以在平臺上進(jìn)行。
一. 電極材料
1.電子導(dǎo)電性：通過計(jì)算電子結(jié)構(gòu)預(yù)測材料電子導(dǎo)電性能。
2.離子擴(kuò)散模擬：可以模擬離子在材料中的擴(kuò)散，獲得離子擴(kuò)散遷移路徑、均方根位移，計(jì)算電導(dǎo)率。
3.理論容量：計(jì)算分子在特定材料或晶面的吸附能、吸附位、吸附量，從而計(jì)算理論容量。
4.開路電壓：通過對吸附能的計(jì)算，獲得開路電壓。
5.結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變模擬：模擬電極材料體積和結(jié)構(gòu)在脫（嵌）離子時(shí)變化，分析結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和循環(huán)性。
6.相圖計(jì)算：模擬材料相圖，預(yù)測中間相、研究相轉(zhuǎn)變、判斷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等。
7.界面模擬：模擬電極與電解液、添加劑或SEI膜等的界面相互作用，鋰的枝晶生長及抑制機(jī)理、特定晶面的反應(yīng)活性等。
8.材料改性模擬：模擬摻雜、缺陷、包覆等改性手段對材料性質(zhì)的影響。
案例一： SnS2中嵌入石墨烯改進(jìn)團(tuán)聚現(xiàn)象
SnS2在充電/放電循環(huán)過程中容易堆疊，性能并不理想。在SnS2中嵌入石墨烯進(jìn)行共價(jià)修飾，可以有效的抑制這種堆疊現(xiàn)象，并且可以提高Li的擴(kuò)散系數(shù)。
圖1 (a)三明治結(jié)構(gòu)SnS2/rGO/SnS2的分子模型。(b)體系能量與層間距d的依賴關(guān)系。
(c)含Li+/Na+的SnS2/rGO/SnS2復(fù)合結(jié)構(gòu)1×2×1超胞模型。(d) Li+和Na+擴(kuò)散系數(shù)D與層間距的關(guān)系。
參考文獻(xiàn)：ACS Nano 2019, 13, 9100−9111
案例二：無序化磷鐵鈉礦NaFePO4提高Na+擴(kuò)散機(jī)制
通過調(diào)整球磨參數(shù)，制備了具有不同無序度的NaFePO4多態(tài)復(fù)合材料，而這種非晶相可以提高鈉離子電池的電化學(xué)性能。通過模擬計(jì)算解釋了其中內(nèi)在的機(jī)制。發(fā)現(xiàn)在無序化過程中，F(xiàn)eO6八面體轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌腇eOn多面體，是鈉離子電池獲得優(yōu)異性能的關(guān)鍵。
圖2 Na擴(kuò)散機(jī)制示意圖。
參考文獻(xiàn)：Journal of Power Sources 438 (2019) 227016
案例三：雙金屬氧化物Sb2MoO6 / rGO作為高性能鉀離子電池負(fù)極的性質(zhì)
結(jié)合電化學(xué)表征、X射線衍射、透射電子顯微鏡和密度泛函理論計(jì)算，探討了鉀化/去鉀化的機(jī)理，成功地揭示了高性能陽極的性質(zhì)和Sb、Mo在Sb2MoO6中的作用。發(fā)現(xiàn)Sb納米顆粒在充/放電時(shí)，能夠與K+結(jié)合/脫離，提供高容量，而Mo元素不僅提高了電導(dǎo)率，而且形成了非晶態(tài)基體，緩解了Sb在充放電過程中的體積變化，有效地提高了速率性能和循環(huán)性能。
圖3 Sb2MoO6中鉀化與脫鉀路徑。
參考文獻(xiàn)：Adv. Sci. 2019, 6, 1900904
二. 電解質(zhì)材料
1.反應(yīng)機(jī)理研究：研究電解質(zhì)中的反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)路徑、反應(yīng)能壘。
2.SEI膜機(jī)理研究：模擬SEI膜的生長、成分、電導(dǎo)率、力學(xué)性質(zhì)等。
3.離子擴(kuò)散模擬：模擬離子在電解質(zhì)中的擴(kuò)散能力，獲得離子擴(kuò)散遷移路徑、均方根位移等。
4.固態(tài)電解質(zhì)模擬：計(jì)算固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和穩(wěn)定性等。
5.界面作用模擬：模擬電解質(zhì)與添加劑、電極或SEI膜等的相互作用。
6.光譜計(jì)算：模擬NMR譜圖、紅外光譜、紫外可見光譜、拉曼光譜等。
7.分子軌道計(jì)算：計(jì)算HOMO-LUMO軌道、共價(jià)鍵、能帶、態(tài)密度等。
案例四：優(yōu)化LiBF4電解液用于TiO2(B)負(fù)極鉀離子電池
由于低溫下鋰離子電池的動力學(xué)反應(yīng)較慢，因此提高鋰離子電池的低溫電化學(xué)性能是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。為了提高鋰離子電池中TiO2(B)陽極的低溫電化學(xué)性能，設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化的LiBF4電解質(zhì)配方。通過分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化配方時(shí)鋰離子與溶劑的分離能是提高電化學(xué)性能的主要原因。
圖4 分子動力學(xué)模擬的結(jié)構(gòu)、能量以及分離能。
參考文獻(xiàn)：Journal of Power Sources 453 (2020) 227908
案例五：通過理論計(jì)算設(shè)計(jì)用于全固態(tài)鋰電池的雙官能團(tuán)聚合物電解質(zhì)
固態(tài)聚合物電解質(zhì)(SPEs)在解決鋰電池的安全問題上有著巨大的潛力，但綜合性能良好的固態(tài)聚合物電解質(zhì)的設(shè)計(jì)一直是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。對碳酸乙烯(EC)和乙氧基(EO)雙官能團(tuán)聚合物電解質(zhì)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論計(jì)算，揭示了鋰離子與不同官能團(tuán)之間的相互作用以及鋰離子遷移機(jī)理。
圖5 (a) Li+在CPEG和PVC電解質(zhì)中的配位環(huán)境。
(b) CPEG和PVC電解質(zhì)中Li-O的徑向分布函數(shù)。(c) 鋰離子在CPEG和PVC電解質(zhì)中的遷移機(jī)理。
參考文獻(xiàn)：Journal of Power Sources 450 (2020) 227614
案例六：高供體數(shù)陰離子在貧電解液鋰硫電池中的雙功能
大量使用電解液是造成鋰硫電池實(shí)際能量密度不高的主要原因之一。此外電解液在鋰金屬負(fù)極的大量分解也會導(dǎo)致容量衰減。但是硫正極在貧電解液情況下，又會極易鈍化，導(dǎo)致活性物質(zhì)利用率下降。將具有高供體數(shù)陰離子的鋰鹽LiNO3，添加到鋰硫電池電解質(zhì)中，并在貧電解液條件下測試了電池性能，揭示了LiNO3在貧電解液鋰硫電池正負(fù)極反應(yīng)中的雙功能性。
圖6 (a)、(b) 鋰離子溶劑化結(jié)構(gòu)示意圖。(c)拉曼光譜。(d)徑向分布函數(shù)。(e) x射線光電子能譜。
參考文獻(xiàn)：Adv. Energy Mater. 2020, 2000493
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