预存
Document
当前位置:文库百科文章详情
DFT和MD技术在水系电池中的应用
来源: 时间:2025-07-17 16:13:19 浏览:1393次

1. 界面反应机制与稳定性验证

CEI/SEI形成机制

DFT和MD被用于解析阴极-电解液界面(CEI)和固体电解质界面(SEI)的原子级反应路径。例如,在锂离子电池中,DFT计算揭示了LiFSEI中的优先形成机制,其低扩散能垒(约0.68 eV)有利于离子传输。MD模拟进一步验证了水分子参与界面分解的过程,解释了氢析出反应HER)的触发条件。

高电压界面稳定性

针对高电压水系电池(如>2.5 V窗口),DFT计算预测了电解液成分(如高浓度LiTFSI)的氧化分解路径,并通过MD验证了"盐包水"电解液中阴离子富集层对抑制氧析出反应(OER)的作用。



CEI研究的多尺度模拟工作流

CEI研究的多尺度模拟工作流


2. 离子输运动力学与溶剂化结构

离子迁移能垒计算

DFT计算量化了多价金属离子(如Zn²⁺、Al³⁺)在水溶液中的脱溶剂化能垒。Al³⁺因高水合能(~4660 kJ/mol)导致缓慢动力学,MD模拟显示其水合壳层结构需通过电解液设计(如添加Cl⁻)削弱。

溶剂化结构动态演化

MD模拟揭示了"盐包水"电解液中离子对(CIPs)和聚集体(AGGs)的形成规律。例如,21 m LiTFSI电解液中,Li⁺第一溶剂化壳层中自由水比例降至<10%,显著拓宽电化学窗口至3.0 V

离子输运特性的多尺度建模

离子输运特性的多尺度建模


3. 电极材料设计与性能优化

材料缺陷与掺杂效应

DFT计算预测了锰基阴极材料中氧空位对Zn²⁺嵌入能垒的影响,揭示了Mn³⁺/Mn⁴⁺氧化还原电位偏移机制 。通过MD验证了Na⁺预嵌入调控层间距(增加~0.3 Å)提升Zn²⁺扩散系数的路径。

界面修饰策略验证

针对锌负极枝晶问题,DFT计算证明碳基材料(如石墨烯)的锌亲和性(吸附能<-0.5 eV)可诱导均匀成核;MD模拟进一步显示表面涂层(如MOF衍生碳)能调节Zn²⁺通量分布。


4. 电解液设计中的关键问题

添加剂作用机制

DFT计算筛选了抑制HER的添加剂(如NaSO₄、有机分子),通过HO分子轨道能级与添加剂LUMO能级匹配度预测还原稳定性。MD模拟显示静电屏蔽添加剂(如Bi³⁺)通过吸附层排斥游离H⁺,减少界面副反应。

离子选择性传输

在双离子电池中,MD模拟证实阴离子交换膜的孔径(<0.6 nm)可调控阴/阳离子选择性渗透率(如SO₄²⁻/Zn²⁺分离效率>90%)。



技术局限性

时间与空间尺度的分离
MD模拟通常限于纳米级模型(<10 nm)和纳秒级动态过程,难以捕捉宏观尺度下的电极退化(如循环百次后的相变)。

力场精度依赖
水溶液中的离子-溶剂作用力(如Zn-HO)缺乏普适力场,需通过DFT数据矫正。

界面模型的简化
实际固液界面的粗糙度及缺陷难以在DFT表面模型中复现,影响电荷分布预测的准确性。


未来方向

DFT与MD的协同可向多尺度耦合(如DFT/MD-AI联用)拓展。例如,通过机器学习势函数(ML-FF)将DFT精度与MD尺度结合,用于高通量筛选固态电解质(如LATP)的界面钝化层组分;或预测新型导电MOF材料在水系锌电池中的拓扑效应。

评论 / 文明上网理性发言
12条评论
全部评论 / 我的评论
最热 /  最新
全部 3小时前 四川
文字是人类用符号记录表达信息以传之久远的方式和工具。现代文字大多是记录语言的工具。人类往往先有口头的语言后产生书面文字,很多小语种,有语言但没有文字。文字的不同体现了国家和民族的书面表达的方式和思维不同。文字使人类进入有历史记录的文明社会。
点赞12
回复
全部
查看更多评论
相关文章

一文详解扫描电子显微镜(SEM)的工作原理及应用技术

2023-10-08

热重分析(TG-DTG)曲线的几种解析方法

2023-12-26

接触角测试(CA)的原理、样品制备要求及实际应用

2023-11-16

一文详细介绍he染色的基本原理、实验步骤及注意事项

2023-11-23

恒电流间歇滴定法GITT的基本原理以及测试教程

2022-08-12

BET气体吸附原理及其技术发展

2025-02-21

项目推荐/Project
分子动力学-电池电解液溶剂化结构

分子动力学-电池电解液溶剂化结构

第一性原理-AIMD

第一性原理-AIMD

热门文章/popular

基础理论丨一文了解XPS(概念、定性定量分析、分析方法、谱线结构)

手把手教你用ChemDraw 画化学结构式:基础篇

晶体结构可视化软件 VESTA使用教程(下篇)

【科研干货】电化学表征:循环伏安法详解(上)

【科研干货】电化学表征:循环伏安法详解(下)

电化学实验基础之电化学工作站篇 (二)三电极和两电极体系的搭建 和测试

微信扫码分享文章
+

你好,很高兴为您服务!

发送