电化学储能材料计算与设计专题
专题论文汇编
电化学储能材料计算与设计专题序
施思齐;<正>电化学储能是通过特定化学反应实现电能与化学能之间转换与存储的一项储能技术。电化学储能材料是实现大规模储能技术的核心，其中材料的电子/离子输运机制、表/界面结构及副反应、界面兼容性等诸多科学问题，很大程度上影响电化学储能器件(如：二次电池、超级电容器、燃料电池等)高性能的发挥。在国家“碳达峰”与“碳中和”计划逐步实施过程中，电化学储能材料的设计与研发已成为驱动高性能储能系统的关键因素之一。针对电化学储能材料，通过化学合成、实验表征及理论计算等方法已成为无机非金属材料学、能源存储与转换材料、能源材料与化学等交叉领域的研究热点。
基于机器学习势函数的沸石框架钠离子导体筛选
符晓;肖睿娟;李泓;随着机器学习原子间势(MLIP)的发展，采用分子动力学解决大尺度体系结构下的离子输运问题成为可能。沸石结构由于其特殊的孔道和空腔，且结构中存在复杂的Si/Al无序排布，使得其动力学性质的模拟较为困难。采用原子位置光滑重叠(SOAP)描述符找到TO_4四面体排布差距最大的10个沸石结构框架作为MLIP训练集，得到适用于在Na–Si–Al–O四元结构进行分子动力学模拟的MLIP，计算统计了具有代表性的18个结构中的Na~+均方位移，筛选到了迁移势垒为0.25eV和外推室温离子电导率为2.66 mS/cm的ACO框架沸石材料，可以作为具有高稳定性的钠离子导体。
二次电池正极材料能带高通量计算与电化学特性关联分析
梁叔全;郭珊;曹鑫鑫;马君剑;周江;方国赵;在二次电池系统研究过程中，鉴于电子在电池系统中直接参与电化学反应，深入理解系统中的电子行为至关重要。在过去几十年里，Goodenough等通过引入过渡金属元素d轨道能级分裂，实现晶体局域配位场重建，建立起了一套二次电池的电子理论，为电池材料的结构性能调控提供了十分重要的指导。然而，这套理论涉及复杂的原子、分子轨道和轨道杂化理论，处理过程烦琐，且难以直观理解。众所周知，随着以密度泛函理论为基础的结构复杂材料第一性原理高通量量子晶体学计算科学和技术的不断发展，材料科学领域能够通过相关计算获取更多、更科学且更精确的材料电子结构和参数信息，包括Fermi能级、Fermi能级附近能带的准确结构、电子态密度(DOS)等。这些关键电子信息对于理解二次电池电极材料综合电化学行为将是非常有益的。本工作重点阐述了相关的第一性原理计算实现方法，并以钠离子电池用典型磷酸盐正极进行了高通量计算和相关的电化学实验结果分析。研究发现，基于3种典型磷酸盐化合物可靠的高通量计算，对综合电化学性能变化可以进行更深层次的解析。表明二次电池电极材料能带高通量计算结果与电极材料综合电化学性能间存在很强的关联性，这将为理解二次电池电极材料电化学行为提供一个新的视角。
智能模型高通量筛选无机钠固态电解质
刘怿泓;毕文柱;Mohamed Ait Tamerd;杨孟昊;钠固态电解质因其能量密度高、安全性好和成本低等优势被视作极具潜能的下一代电解质材料，然而较低的离子电导率成为限制钠固态电解质发展的主要瓶颈之一。本工作提出了一种机器学习与第一性原理计算结合的智能模型实现高通量筛选，将离子电导率作为主要的筛选指标，先后使用极端梯度提升(XGBoost)模型和从头算分子动力学(AIMD)预测并验证材料的离子电导率，最终筛选得到4种潜在的无机钠固态电解质材料即Na_3HfTiSi_2PO_(12),Na_3Bi(BO_3)_2,Na_2LuPCO_7以及Na_2LuPWO_8，并通过进一步分析探究钠离子的迁移机理。
NASICON型钠离子电池正极材料的第一性原理计算
秦瑞敏;朱润茜;武甜甜;李龙;丁书江;苏亚琼;凭借着丰富的钠资源储量和低廉的价格，钠离子电池在储能领域表现出极大的应用前景。通过第一性原理计算系统研究磷酸钒钠(Na_3V_2(PO4)_3)以及Ti、Cr、Mn、Fe等过渡金属掺杂的NASICON型钠离子材料的几何及电子结构，并对Ti、Mn和Ti、Fe取代V形成的Na_3MM'(PO_4)_3型聚阴离子型钠离子电池正极材料进行Na离子扩散路径及相应能垒计算。结果表明：Na_3TiMn(PO_4)_3、Na_3TiFe(PO_4)_3在热力学和动力学上均有利于钠离子的扩散传输。结合电压平台计算，筛选出Na_3TiMn(PO_4)_3和Na_3TiFe(PO_4)_3为综合性能良好的NASICON型钠离子正极材料。
中性锌空气电池催化剂的理论设计
孙中贤;张宝;孙威;中性锌空气电池因其高比能、高安全性和长寿命受到广泛关注，但其空气正极动力学迟滞问题限制了其实际应用。通过第一性原理计算方法，研究了中性锌空气电池的催化路径，并提出了其催化剂设计的描述符。结果表明：4电子路径倾向于发生在氧吸附强度较强的催化剂上，而2电子路径更易出现在吸附强度较弱的催化剂表面。此外，吸附强度与过电势遵循Sabatier原理，适中吸附强度具有最佳性能。研究发现Pt和Ag表现出适中的氧吸附特性，是中性锌空气电池正极催化剂的潜在候选材料。
氧硫化物Li_2MgSO固态电解质的第一性原理计算
张雅茗;陈典诚;孙洋;随着高能量密度和安全储能系统需求的日益迫切，开发具有优异离子导电性和结构稳定性的固态电解质成为当前研究重点。基于结构预测程序(CALYPSO)结合密度泛函理论(DFT)计算，系统评估了新型氧硫化物Li_2MgSO作为固态电解质的应用潜力。理论计算表明，Li_2MgSO不仅表现出优异的动力学特性和机械稳定性，还具有宽禁带(4.76 eV)特征。离子输运动力学分析揭示了Li_2MgSO中独特的三维离子传输网络，该网络由层间迁移通道与二维平面内迁移路径共同构成，且表现出较低的迁移势垒，有利于锂离子的快速传输。通过系统的阴离子(Se)和阳离子(Zn)取代研究发现，Li_2ZnSO相较于Li_2MgSO和Li_2MgSeO表现出更优异的锂离子迁移动力学特性，这一结果表明Li_2MgSO体系中锂离子的迁移行为主要受阳离子诱导效应调控。
卤化物固体电解质Li_3InCl_6的基本特性及Li离子迁移机理的第一性原理计算
仇家豪;苏蕾;张佳颖;吴木生;孙宝珍;欧阳楚英;全固态锂离子电池被认为是解决目前商用锂离子电池能量密度和安全性问题的理想替代品。符合实际需求的固体电解质材料的开发是其应用的关键。最近，以Li_3InCl_6为代表的卤化物快离子导体由于展现出优异的性能，成为倍受人们关注的一类极具潜力的新型固体电解质。然而，与Li_3InCl_6应用密切相关的一些问题仍不清楚，比如绝缘性、力学和热特性等，尤其是高离子电导率的本质原因。利用第一性原理计算系统揭示了Li_3InCl_6的电子结构与热力学等基本物理特性和锂离子迁移机理。研究结果发现，Li_3InCl_6具有4.71e V的宽带隙，低的弹性模量和高的Pugh比(2.09)，优于同类卤化物Li_3YCl_6和Li_3YBr_6，表明其具有大的理论电化学窗口及杰出的机械特性。另外，通过对其缺陷类型的深入研究，发现V'_(Li)–Li_i~·缺陷既具有0.24 eV的低形成能，又具有0.26 eV的锂空位迁移势垒，表明V'_(Li)–Li_i~·是Li_3InCl_6材料的主导缺陷类型，并且锂空位是主导的载流子。这些结果为Li_3InCl_6材料的改善及应用提供了理论依据。
大语言模型提取文献中锂离子电池固态电解质合成信息
韦士豪;李舒远;王亚鑫;孙少瑞;固态电解质是提升锂离子电池性能和安全性的关键材料，获取其结构化的合成信息对于相关研究至关重要。人工从文献中提取费时费力，基于规则的方法泛化性能差，机器学习的方法则需大量标记数据，都存在一定的局限性。本研究旨在利用大语言模型自动提取文献中的固态电解质合成信息。首先，训练段落分类模型，包括贝叶斯模型、BERT模型和3个不同的大语言模型，筛选出描述固态电解质合成过程的段落。然后，训练合成信息提取模型，为3个不同的大语言模型，从这些段落中提取合成信息。在段落分类任务中，Gemma模型的整体表现最好，F1分数超过0.9,LLaMA模型和BERT模型的表现次之，F1分数都超过0.85，贝叶斯模型的表现最差，F1分数低于0.85。在合成信息提取任务中，3个大语言模型的F1分数都超过了0.9。结果表明，大语言模型可以高效且准确地提取文献中锂离子电池固态电解质的合成信息，且小参数模型的性能与大参数模型相当。
电极颗粒力–化学耦合接触分析
龙永一;赵莹;锂电池电极颗粒在充放电过程中伴随着变形，当变形过大时，颗粒与颗粒之间会产生接触，甚至相互挤压，导致颗粒破碎，影响电池的电化学性能。传统固体接触问题的数值求解方法基于拉格朗日描述，需要复杂的接触检测算法来实现接触约束，对于具有复杂形貌的颗粒在发生大变形时的接触行为不能准确捕捉，导致对于颗粒间相互作用预估不准，甚至发生错误判断。为解决这些问题，基于相场法，在欧拉描述下，建立了考虑力–化学耦合的锂电池颗粒模型，实现了锂电池充放电过程中接触检测的简化和固体间的接触分析，并以线弹性的赫兹接触问题为例，展示该方法在接触计算中的精度。通过仿真模拟了电极颗粒锂化膨胀发生接触的过程，并探究了不同条件下不同形貌的电极颗粒在发生接触时的应力集中情况，获得了电极颗粒在相互挤压时容易发生力学损伤的部位。