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揭示電解液與界面奧秘，理論計(jì)算賦能水系電池創(chuàng)新

來源：時(shí)間：2025-09-03 16:04:19 瀏覽：1771次

揭示電解液與界面奧秘，理論計(jì)算賦能水系電池創(chuàng)新

隨著全球?qū)Ω甙踩⒌统杀緝?chǔ)能需求的激增，水系電池成為了下一代電池技術(shù)的重要候選者。然而，其性能瓶頸，如循環(huán)壽命、能量密度等，深深根植于復(fù)雜的電解液化學(xué)和電極-電解液界面行為之中。為了從微觀尺度破解這些難題，測試狗科研服務(wù)精心打造了一套基于水系電池研究的理論計(jì)算解決方案，綜合運(yùn)用密度泛函理論（DFT）和分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬，為水系電池的研發(fā)提供從原子到介觀尺度的深刻洞察與精準(zhǔn)預(yù)測。

1. 電解液穩(wěn)定性與SEI形成分析

研究內(nèi)容：通過量子化學(xué)計(jì)算（DFT）電解液分子或添加劑分子的軌道能級(jí)（HOMO與LUMO），精確估算其電化學(xué)穩(wěn)定窗口，預(yù)測其作為SEI/CEI成膜添加劑的能力。此項(xiàng)分析可有效評(píng)估副反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)與電池安全性，并揭示界面電子轉(zhuǎn)移的微觀機(jī)理。

2. 陰離子極性分析

研究內(nèi)容：通過計(jì)算陰離子表面的靜電勢（ESP）分布，量化其極性大小（Anion Polarity Index, API）。該指標(biāo)直接關(guān)聯(lián)陰離子與水分子的結(jié)合能，為篩選和優(yōu)化電解液鹽類、理解離子溶劑化結(jié)構(gòu)提供了關(guān)鍵的理論描述符。

陰離子極性計(jì)算案例

3. 分子極性指數(shù)與配位能模型

研究內(nèi)容：延伸陰離子極性的概念，通過DFT計(jì)算分子的極性指數(shù)（MPI），并建立其與金屬離子（如Zn2?）的配位能之間的定量關(guān)系。該模型可用于高效篩選能優(yōu)化溶劑化結(jié)構(gòu)、抑制副反應(yīng)的功能性添加劑分子。

4. 金屬離子溶劑化結(jié)構(gòu)模擬

研究內(nèi)容：利用分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬，在原子層面可視化并統(tǒng)計(jì)金屬離子（如Zn2?）在水系電解液中的溶劑化鞘層結(jié)構(gòu)，包括配位分子種類、數(shù)量、鍵長和鍵角。這是理解離子傳輸和去溶劑化過程的基礎(chǔ)。

5. 氫鍵網(wǎng)絡(luò)與分布研究

研究內(nèi)容：通過MD模擬，統(tǒng)計(jì)分析電解液體系中氫鍵的數(shù)量、類型、壽命和空間分布。氫鍵網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)直接影響電解液的粘度、離子電導(dǎo)率和離子遷移方式，是調(diào)控電解液宏觀性能的關(guān)鍵微觀因素。

6. 物質(zhì)遷移與擴(kuò)散行為模擬

研究內(nèi)容：基于MD模擬，計(jì)算離子或其他活性物質(zhì)在電解液中的擴(kuò)散系數(shù)，直觀展示其遷移路徑和動(dòng)力學(xué)行為。該研究直接關(guān)聯(lián)電池的倍率性能和功率密度。

7. 離子擴(kuò)散能壘計(jì)算

研究內(nèi)容：采用DFT方法（如NEB）計(jì)算離子在電極材料內(nèi)部或表面遷移的能壘。該能壘是決定離子固相擴(kuò)散快慢的核心參數(shù)，對(duì)于評(píng)估電極材料的倍率性能至關(guān)重要。

離子擴(kuò)散能壘計(jì)算案例

8. 雙電層結(jié)構(gòu)模擬

研究內(nèi)容：利用MD模擬研究在電場作用下，電極-電解液界面處的雙電層結(jié)構(gòu)，精確分析界面處離子和溶劑的濃度分布、取向及分層情況。這對(duì)于理解界面電荷傳輸和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)具有重要意義。

9. 相場模擬

研究內(nèi)容：采用相場模擬這一介尺度計(jì)算方法，研究電極表面枝晶的生長形貌、動(dòng)力學(xué)過程及其與應(yīng)力場的相互作用。該方法能夠直觀預(yù)測枝晶生長，為抑制枝晶、提升電池循環(huán)壽命提供設(shè)計(jì)策略。

測試狗科研服務(wù)提供的理論計(jì)算項(xiàng)目構(gòu)成了一個(gè)多尺度、多角度的完整研究體系。從單個(gè)分子的電子結(jié)構(gòu)（DFT）到百萬原子體系的動(dòng)態(tài)演化（MD），再到枝晶生長的介觀模擬（相場），它們相互關(guān)聯(lián)、層層遞進(jìn)，能夠系統(tǒng)地解決水系電池在電解液設(shè)計(jì)、界面調(diào)控、離子傳輸?shù)确矫娴暮诵目茖W(xué)問題。

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