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揭示电解液与界面奥秘，理论计算赋能水系电池创新

来源：时间：2025-09-03 16:04:19 浏览：320次

揭示电解液与界面奥秘，理论计算赋能水系电池创新

随着全球对高安全、低成本储能需求的激增，水系电池成为了下一代电池技术的重要候选者。然而，其性能瓶颈，如循环寿命、能量密度等，深深根植于复杂的电解液化学和电极-电解液界面行为之中。为了从微观尺度破解这些难题，测试狗科研服务精心打造了一套基于水系电池研究的理论计算解决方案，综合运用密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟，为水系电池的研发提供从原子到介观尺度的深刻洞察与精准预测。

1. 电解液稳定性与SEI形成分析

研究内容：通过量子化学计算（DFT）电解液分子或添加剂分子的轨道能级（HOMO与LUMO），精确估算其电化学稳定窗口，预测其作为SEI/CEI成膜添加剂的能力。此项分析可有效评估副反应风险与电池安全性，并揭示界面电子转移的微观机理。

2. 阴离子极性分析

研究内容：通过计算阴离子表面的静电势（ESP）分布，量化其极性大小（Anion Polarity Index, API）。该指标直接关联阴离子与水分子的结合能，为筛选和优化电解液盐类、理解离子溶剂化结构提供了关键的理论描述符。

阴离子极性计算案例

阴离子极性计算案例

3. 分子极性指数与配位能模型

研究内容：延伸阴离子极性的概念，通过DFT计算分子的极性指数（MPI），并建立其与金属离子（如Zn²⁺）的配位能之间的定量关系。该模型可用于高效筛选能优化溶剂化结构、抑制副反应的功能性添加剂分子。

4. 金属离子溶剂化结构模拟

研究内容：利用分子动力学（MD）模拟，在原子层面可视化并统计金属离子（如Zn²⁺）在水系电解液中的溶剂化鞘层结构，包括配位分子种类、数量、键长和键角。这是理解离子传输和去溶剂化过程的基础。

5. 氢键网络与分布研究

研究内容：通过MD模拟，统计分析电解液体系中氢键的数量、类型、寿命和空间分布。氢键网络的结构直接影响电解液的粘度、离子电导率和离子迁移方式，是调控电解液宏观性能的关键微观因素。

6. 物质迁移与扩散行为模拟

研究内容：基于MD模拟，计算离子或其他活性物质在电解液中的扩散系数，直观展示其迁移路径和动力学行为。该研究直接关联电池的倍率性能和功率密度。

7. 离子扩散能垒计算

研究内容：采用DFT方法（如NEB）计算离子在电极材料内部或表面迁移的能垒。该能垒是决定离子固相扩散快慢的核心参数，对于评估电极材料的倍率性能至关重要。

离子扩散能垒计算案例

离子扩散能垒计算案例

8. 双电层结构模拟

研究内容：利用MD模拟研究在电场作用下，电极-电解液界面处的双电层结构，精确分析界面处离子和溶剂的浓度分布、取向及分层情况。这对于理解界面电荷传输和反应动力学具有重要意义。

9. 相场模拟

研究内容：采用相场模拟这一介尺度计算方法，研究电极表面枝晶的生长形貌、动力学过程及其与应力场的相互作用。该方法能够直观预测枝晶生长，为抑制枝晶、提升电池循环寿命提供设计策略。

测试狗科研服务提供的理论计算项目构成了一个多尺度、多角度的完整研究体系。从单个分子的电子结构（DFT）到百万原子体系的动态演化（MD），再到枝晶生长的介观模拟（相场），它们相互关联、层层递进，能够系统地解决水系电池在电解液设计、界面调控、离子传输等方面的核心科学问题。

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