DFT计算和MD模拟技术在水系电池中的应用-测试GO

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LiF在SEI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Na₂SO₄、有机分子），通过H₂O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-H₂O）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。