©北京泰科博思科技有限公司   /   京ICP备09107432号-1   /   网站建设:中企动力 北京

新闻中心

News Center

>
>
>
Materials Studio在电池设计中的应用

Materials Studio在电池设计中的应用

作者:
泰科
2020/12/18
浏览量
【摘要】:
Materials Studio是一个完整的多尺度模拟平台,本文介绍了在电极材料和电解质材料两方面的多个应用实例。

 

近年来,理论模拟已成为材料研究领域的重要手段,在各大顶刊发表的材料相关工作中,有约70%使用了模拟计算进行预测或解释分析。特别是在电池催化领域,理论模拟已经成为主要的分析和证明工具。

 

电池的工作机理是比较复杂的,用单一的计算工具无法进行全面、清晰的解释。Materials Studio是一个完整的多尺度模拟平台,能进行量子、原子、介观尺度模拟。通过多尺度模拟,研究者能够在不同空间和时间尺度下更精确的评估材料的性能。此外,Materials Studio的用户界面操作简单,具有强大的建模功能。因此建模-计算-分析整个流程都可以在平台上进行。

 

. 电极材料

1.电子导电性:通过计算电子结构预测材料电子导电性能。

2.离子扩散模拟:可以模拟离子在材料中的扩散,获得离子扩散迁移路径、均方根位移,计算电导率。

3.理论容量:计算分子在特定材料或晶面的吸附能、吸附位、吸附量,从而计算理论容量。

4.开路电压:通过对吸附能的计算,获得开路电压。

5.结构转变模拟:模拟电极材料体积和结构在脱(嵌)离子时变化,分析结构稳定性和循环性。

6.相图计算:模拟材料相图,预测中间相、研究相转变、判断结构稳定性等。

7.界面模拟:模拟电极与电解液、添加剂或SEI膜等的界面相互作用,锂的枝晶生长及抑制机理、特定晶面的反应活性等。

8.材料改性模拟:模拟掺杂、缺陷、包覆等改性手段对材料性质的影响。

 

案例一: SnS2中嵌入石墨烯改进团聚现象

SnS2在充电/放电循环过程中容易堆叠,性能并不理想。在SnS2中嵌入石墨烯进行共价修饰,可以有效的抑制这种堆叠现象,并且可以提高Li的扩散系数。

1 (a)三明治结构SnS2/rGO/SnS2的分子模型。(b)体系能量与层间距d的依赖关系。

(c)Li+/Na+SnS2/rGO/SnS2复合结构1×2×1超胞模型。(d) Li+Na+扩散系数D与层间距的关系。

参考文献:ACS Nano 2019, 13, 9100−9111

 

案例二:无序化磷铁钠矿NaFePO4提高Na+扩散机制

通过调整球磨参数,制备了具有不同无序度的NaFePO4多态复合材料,而这种非晶相可以提高钠离子电池的电化学性能。通过模拟计算解释了其中内在的机制。发现在无序化过程中,FeO6八面体转变为不同的FeOn多面体,是钠离子电池获得优异性能的关键。

2 Na扩散机制示意图。

参考文献:Journal of Power Sources 438 (2019) 227016

 

案例三:双金属氧化物Sb2MoO6 / rGO作为高性能钾离子电池负极的性质

结合电化学表征、X射线衍射、透射电子显微镜和密度泛函理论计算,探讨了钾化/去钾化的机理,成功地揭示了高性能阳极的性质和SbMoSb2MoO6中的作用。发现Sb纳米颗粒在充/放电时,能够与K+结合/脱离,提供高容量,而Mo元素不仅提高了电导率,而且形成了非晶态基体,缓解了Sb在充放电过程中的体积变化,有效地提高了速率性能和循环性能。

 

3 Sb2MoO6中钾化与脱钾路径。

参考文献:Adv. Sci. 2019, 6, 1900904

 

. 电解质材料

1.反应机理研究:研究电解质中的反应机理、反应路径、反应能垒。

2.SEI膜机理研究:模拟SEI膜的生长、成分、电导率、力学性质等。

3.离子扩散模拟:模拟离子在电解质中的扩散能力,获得离子扩散迁移路径、均方根位移等。

4.固态电解质模拟:计算固态电解质的离子电导率和稳定性等。

5.界面作用模拟:模拟电解质与添加剂、电极或SEI膜等的相互作用。

6.光谱计算:模拟NMR谱图、红外光谱、紫外可见光谱、拉曼光谱等。

7.分子轨道计算计算HOMO-LUMO轨道、共价键、能带、态密度等。

 

案例四:优化LiBF4电解液用于TiO2(B)负极钾离子电池

由于低温下锂离子电池的动力学反应较慢,因此提高锂离子电池的低温电化学性能是一个很大的挑战。为了提高锂离子电池中TiO2(B)阳极的低温电化学性能,设计了一种优化的LiBF4电解质配方。通过分子动力学模拟发现,优化配方时锂离子与溶剂的分离能是提高电化学性能的主要原因。

 

4 分子动力学模拟的结构、能量以及分离能。

参考文献:Journal of Power Sources 453 (2020) 227908

 

案例五:通过理论计算设计用于全固态锂电池的双官能团聚合物电解质

固态聚合物电解质(SPEs)在解决锂电池的安全问题上有着巨大的潜力,但综合性能良好的固态聚合物电解质的设计一直是一个艰巨的挑战。对碳酸乙烯(EC)和乙氧基(EO)双官能团聚合物电解质的设计进行了理论计算,揭示了锂离子与不同官能团之间的相互作用以及锂离子迁移机理。

 

 

5 (a) Li+CPEGPVC电解质中的配位环境。

(b) CPEGPVC电解质中Li-O的径向分布函数。(c) 锂离子在CPEGPVC电解质中的迁移机理。

参考文献:Journal of Power Sources 450 (2020) 227614

 

案例六:高供体数阴离子在贫电解液锂硫电池中的双功能

大量使用电解液是造成锂硫电池实际能量密度不高的主要原因之一。此外电解液在锂金属负极的大量分解也会导致容量衰减。但是硫正极在贫电解液情况下,又会极易钝化,导致活性物质利用率下降。将具有高供体数阴离子的锂盐LiNO3,添加到锂硫电池电解质中,并在贫电解液条件下测试了电池性能,揭示了LiNO3在贫电解液锂硫电池正负极反应中的双功能性。

6 (a)(b) 锂离子溶剂化结构示意图。(c)拉曼光谱。(d)径向分布函数。(e) x射线光电子能谱。

参考文献:Adv. Energy Mater. 2020, 2000493

 

点击了解Materials Studio更多信息

热门新闻

北京泰科携COSMOLOGIC系列产品参展“2021化工结晶工艺暨药物结晶技术交流大会”
2021年4月16日-18日,北京泰科博思科技有限公司携COSMOLOGIC系列产品在南京悦客假日酒店参展了由中国化工企业管理协会,江苏化学化工学会主办的“2021化工结晶工艺暨药物结晶技术交流大会”。
时间:
2021-04-19 10:40
COSMOlogic在溶解度预测、溶剂筛选中应用及在离子液体设计中应用分享会
第七届亚太离子液体与绿色过程会议(APCIL-7),将于2021年4月23-25日,在苏州独墅湖世尊酒店举办。会议由中科院过程所与苏州大学共同组织。会议主题包括:绿色化学合成与催化、离子液体与能源、功能聚离子液体的合成及工业应用等。
时间:
2021-04-09 08:36
一种生产石墨烯的有效方法
Riichi Kuwahara(BIOVIA科学家团队中的一员)在Nanoscale Advances上发表一种生产石墨烯的高效方法,并使用Materials Studio探究了其中的内在机制。
时间:
2021-03-16 13:40
北京泰科2021年首场在线研讨会成功举办
2021年2月3日,北京泰科博思科技有限公司首场在线活动——《结晶理论在线研讨会暨COSMOLOGIC2021新版本功能分享会》,在立春之日成功举办。
时间:
2021-02-04 13:30
北京泰科全体员工祝您新年快乐、万事如意!
北京泰科全体员工祝您新年快乐、万事如意!
时间:
2020-12-31 14:59
Molpro的前端图形界面gmolpro发布!
我们很高兴地宣布,Molpro的前端图形界面gmolpro已经发布啦!
即日起至2021年3月31日,所有单机版、小组版或者校园版Molpro的用户,均可免费使用。
时间:
2020-12-28 12:12
Materials Studio在电池设计中的应用
Materials Studio是一个完整的多尺度模拟平台,本文介绍了在电极材料和电解质材料两方面的多个应用实例。
时间:
2020-12-18 09:48
COSMOlogic-可减少数百万吨塑料垃圾的新回收工艺
最近,Wisconsin-Madison大学的工程师们发明了一种用溶剂回收塑料垃圾中聚合物的方法,他们称之为“溶剂定向回收和沉淀(STRAP)处理”。主要应用COSMO-RS计算出不同温度下目标聚合物在溶剂混合物中的溶解度,以探索候选溶剂。
时间:
2020-12-16 09:52
北京泰科赞助第二届团簇科学与原子制造研讨会取得圆满成功
11月6日至8日,北京泰科博思科技有限公司赞助并参展了第二届团簇科学与原子制造研讨会,本次会议由西南大学物理科学与技术学院、大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室、南京大学物理学院联合主办,吸引了众多原子与分子物理、团簇科学领域的知名专家。
时间:
2020-12-04 09:32
精简版PDF-4+数据库(PDF-4 Axiom 2021)来啦
PDF-4 系列数据库同时含有衍射数据和结构数据,包含X射线、中子、电子及同步辐射衍射数据;可提供晶体对称性操作、原子坐标等信息,晶体的二维或三维结构、晶胞参数、空间群、点群、选区电子衍射图、二维粉末衍射图等;为准确鉴定物相提供了强有力的支持,是物相鉴定不可缺少的极其重要的数据库。
时间:
2020-12-02 08:56