概述
理论计算模拟能够非常有效地辅助电池候选材料筛选、理解材料与性质之间的关系，对缩短研发时间、降低研发成本，发挥着越来越重要的作用。AMS 包含 DFT、DFTB、ForceField 等尺度级别的原子级材料模拟方法，宏观流体热力学性质预测，以及大量材料学模型构建和性质分析模块，特别适合分析如电池材料等复杂材料体系的性质。AMS 在研究电池材料方面有如下功能特点：
材料模型与数据库
- 晶体、缺陷、表面、界面等建模工具
- 内置数据库中导入结构模型，以及外部数据库数据读入
复杂材料模型
- 随机均相、非均相混合物
- 交联聚合物材料的聚合反应与交联率
- 聚合物力学性质分析
- 电池材料的电荷迁移、扩散、粘度预测：ReaxFF，Apple&P，DFTB
- 电解质的溶解度和电化学性质：
- 通过ADF、COSMO-RS精确计算氧化还原势、电离能
- COSMO-RS预测溶解度
- eReaxFF模拟电解质的降解
- 充放电过程模拟：基于ReaxFF或DFTB，进行巨正则系综蒙特卡洛模拟
- 阴极的膨胀
- 电压下降-Li浓度关系
- 扩散诱导应力
- 计算分子材料的核磁共振谱与NEXAFS性质
- 一维聚合物材料带隙筛选
模拟工具介绍
- ReaxFF反应分子动力学，包含电池相关的多种力场
- ChemtraYzer：自动生成化学反应路径、分析表面化学反应、统计产物数量变化、反应速率
- TNEMD：热传导模拟
- Molecule Gun：表面分子沉积模拟
- Bond Boost：生成聚合物
- 支持用户使用MCFF、CMA-ES、ParAMS等方法自建、优化力场
- eReaxFF：电子作为基本粒子参与化学反应的分子动力学模拟
- GCMC：巨正则系综蒙特卡洛模拟，加速化学反应过程
- Apple&P极化力场，模拟带电体系，如电解质（例如电池中的电荷迁移率）、离子液体、燃料电池膜等
- 方便地通过GUI模拟离子扩散、放电过程电压特性、材料分解、固态电解质界面形成、溶剂化与反应
- 密度泛函理论（DFT）
- 使用杂化泛函（ HSE06、HSE03），更精确的计算电子结构，结合能和扩散势垒
- 对大体系计算，与平面波基组相比，使用 LCAO 基组可将速度大大提高倍，从而实现高效的大规模模拟
- 使用色散修正泛函，更精确的模拟结合能，找到吸附位点
- 基于DFT与COSMO-RS计算精确氧化还原电位
- 基于DFT的键能分解分析（EDA）深刻理解分子间的相互作用
- 比平面波方法高效的Slab模型
- 特别适合研究表面吸附，以及在电场情况下的表面物理化学性质
- 基于键能分解分析pEDA，分析表面成键
研究案例和发表文章
- eReaxFF研究电子迁移和锂离子的还原(J. Electrochem. Soc. 169 ,110540, 2022)
- 采用ReaxFF方案来研究SEI形成的初始形成阶段J. Phys. Chem. (2020)
- 碱性燃料电池膜结构、迁移和反应性的多尺度模拟：粗粒、原子和反应分子动力学模拟(Polymers 2018)
- 锂离子电池中碳酸乙烯酯（EC）分解(J. Phys. Chem. C 2016)
- 锂硫电池放电过程的电压特性(Phys. Chem. Chem. Phys. 2015)
- 锂离子在阴极材料中的扩散系数(Phys. Chem. Chem. Phys. 2015)
- 阳极-电解质界面上的聚四氟乙烯层显著降低了锂通过电解质相的反应性和扩散J. Electrochem. Soc. 161, E3009-E3014 (2014)