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    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:171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。

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    12条评论
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    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。
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