染料敏化太阳能电池的BCL方法:基础与应用(Appl. Sci. 2022)

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BCL是理解和预测染料及其在太阳能电池中效率的一个理论框架,最近的一篇论文全面介绍了这种方法:它基于一组方程,使用TDDFT获得染料敏化太阳能电池效率的整体效率指数(Global Efficiency Index,GEI);GEI通过三个因子乘积得到:可用注入能量(F1)、注入电荷量(F2)和再生效率(F3)。迄今为止获得的结果表明,与实验光转换效率(PCE)有良好的相关性。此外,该方法还提供了理论工具,使研究者能够理解电池的运行情况,以及优化电池的关键。 要点: 与实验结果匹配的很好所有计算使用AMS软件ADF模块完成,使用OPBE泛函、SAOP模型势提出了在锂太阳能电池领域的应用和改进颜料的开发运行BCL计算简明手册 参考文献: M. Barrera, I. Crivelli, B. Loed, The BCL Method for DSSC: Basis and Applications,  Appl. Sci. 12, 2358 (2022) 

基于图像的锂离子电池电极建模

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概述 锂离子电池(LIBs)的异质结构影响性能来自于界面处的表面积、扩散路径和活性材料连通等。本研究使用 Simpleware 软件基于 nano-XCT 图像重建 LIB 的 LiFePO4(LFP)电极微观结构,然后将网格划分后的三维模型导出至 COMSOL Multiphysics中进行有限元分析。结果表明,与一般的均质模型相比,电极的非均匀性提供了更广泛的物理和电化学性能。 特点 基于真实的三维微观结构数据模型 采用 nanoXCT(每侧5μm)扫描商用 LFP/石墨电池样品 在 Simpleware ScanIP 中采用阈值方法快速分割图像数据 使用 Simpleware FE 生成网格并导出至 COMSOL Multiphysics 与传统的均质一维模型相比,对 LFP 性能的预测更为准确 电极结构重建 首先对商用 LFP /石墨电池中的 LiFePO4(LFP)样品进行拆解并用 nanoXCT 扫描。将得到的二维堆层导入 Simpleware ScanIP,应用阈值技术对其进行分割,将灰度堆层转换为二元堆层结构。该过程包含从扫描中分割出活性材料颗粒和孔-PVDF-碳区域。如果活性材料的重量百分比较高,则碳材料和聚合物粘结剂随机分布在电极中。为了重建连续的固体基质,假设碳材料随机分布在活性材料之间提供电子通路。在活性材料区域中,使用 Simpleware ScanIP 的几何结构闭合过滤工具,将相邻的活性材料融合在一起。 图:在 Simpleware ScanIP 中重建 nanoXCT 图像数据   利用 Simpleware FE 生成网格模型后直接导出至 COMSOL Multiphysics®,求解与所开发的 LIB 多尺度模型相关的偏微分方程。在微观尺度上,模型是基于真实的三维微观结构数据,利用宏观尺度上传统的均质一维模型表征放电/充电性能。这种框架被用于 […]

AMS在电池材料模拟与设计中的应用

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概述 AMS 包含 DFT、DFTB、ForceField 等尺度级别的原子级材料模拟方法和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 超大体系与电解质等复杂体系 ReaxFF反应分子动力学,包含电池相关的多种力场 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)、离子液体等 支持用户使用MCFF、CMA-ES、ParAMS等方法自建、优化力场 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 基于DFT的键能分解分析(EDA)深刻理解分子间的相互作用 高效率高精度的第一性原理计算 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 表面性质研究工具 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 表面吸附产物分析工具 统计表面吸附产物数量变化 研究案例和发表文章 锂离子电池锂-电解液的溶剂化与反应(J. Chem. Phys. 2020) 锂锂离子电池溶剂与添加剂还原分解形成固态电解质界面(J. Phys. Chem. C 2020) 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. […]

离子电池和储能材料研究案例集(三)

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更多相关文章: QuantumATK在电池/储能材料中的应用 离子电池和储能材料研究案例集(一) 离子电池和储能材料研究案例集(二) 离子电池和储能材料研究案例集(三)(本文) 多孔石墨:一种很有前途的锂离子电池超高储能负极材料 锂离子电池最具商业价值的负极仍然是石墨,但其锂离子储存量仅为 372 mA h/g。为了提高本征石墨负极(IGA)的性能,作者用从头算方法研究了三种空穴密度(35%:HGA35、46%:HGA 46 和 61%:HGA61)的多孔石墨负极(HGA)。值得注意的是,HGAs 的最大锂离子储存量高达 714-1689 mA h/g,是 IGA(372 mA h/g)的 4.5 倍。此外,锂离子的面内扩散势垒也从 0.57eV (IGA)降低到 0.35-0.42 eV(HGAs),表明锂离子的扩散速率较高。多孔结构可以打开一个额外的平面外锂离子扩散通道,扩散势垒仅为 IGA 扩散势垒的五分之一,这意味着在应用中加速了充放电过程。作者还证明了在吸附最大 Li 浓度时,HGAs 的表面积变化率相对较小,小于3%-14%。因此,多孔结构是改善锂离子电池石墨负极性能的有效途径。 相关文章:Electrochimica Acta 346 (2020) 136244 硅烯/氮化硼-范德华异质结构作为钠离子电池超快离子扩散负极材料 本文利用第一性原理方法对范德华(vdW)异质结作为负极材料进行了广泛的研究。通过 BN 与 Silicene 的协同作用,证明Silicene/BN-vdW 异质结构对于钠离子具有较低的扩散势垒、离子迁移率和较高的力学稳定性。同时,还可以保持高存储容量。所有这些结果表明,该复合体系作为 NIBs 的商业负极材料具有很高的潜力。 相关文章:Physica E 122 (2020) 114146 储能用硅纳米线对锂和钠的吸附和扩散的第一性原理研究 本文用密度泛函理论(DFT)计算了 Li/Na 在含衬底的 Si […]

离子电池和储能材料研究案例集(二)

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更多相关文章: QuantumATK在电池/储能材料中的应用 离子电池和储能材料研究案例集(一) 离子电池和储能材料研究案例集(二)(本文) 离子电池和储能材料研究案例集(三) 增强多壁碳纳米管层间的钠离子存储 本文报道了一种利用多壁碳纳米管(MWCNT)作为钠离子电池活性阳极材料的有效方法,即通过增加多壁碳纳米管(MWCNT)外层的层间距离来实现。采用密度泛函紧束缚(DFTB)分子动力学模拟方法研究了其性能的提高。通过范德华修正的密度泛函理论计算,发现钠原子与部分膨胀的碳纳米管(PECNT)形成稳定的键合,结合能为-1.50ev,其中钠原子被固定在两个连续的碳纳米管中的两个六边形之间。波函数和电荷密度分析表明,这种结合本质上是物理吸附。这种较大的结合能放热特性有利于PECNT与钠原子之间的稳定键合,从而有助于提高电化学性能。在实验工作中,利用Hummer方法设计了具有膨胀夹层的MWCNT的部分开孔结构。研究发现,官能团的引入使碳纳米管的外层少数部分打开,而内部核心保持不变。这种性能的提高是由于碳纳米管中间层的膨胀,为钠离子的吸附和插层提供了足够的活性中心。PECNT在电流密度为20 mAh g-1时,比容量为510 mAh g-1,约为相同电流密度下原始MWCNT比容量的2.3倍。与其他碳基材料相比,这种比容量更高。PECNT在电流密度为200mA h g-1时,循环稳定性良好。基于我们的实验和理论结果,我们提出了在碳纳米管中储存钠离子的另一种前景。 相关文章:Enhanced Sodium Ion Storage in Interlayer Expanded Multiwall Carbon Nanotubes. Nano Lett. 2018, 18, 9, 5688–5696;DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02275 Ge-Air 电池中不同掺杂类型和浓度的Ge(100)和Ge(111)负极的表面钝化 本文采用密度泛函理论对不同掺杂类型和浓度的Ge-air电池中Ge(100)和Ge(111)表面钝化进行了分析。与Ge(111)负极相比,Ge(100)负极与GeO2层结合能大,表面钝化受到抑制。同时,掺杂会阻碍Ge负极上GeO2层的形成,特别是p型掺杂,如B。p型Ge(100)/GeO2和Ge(111)/GeO2之间静电电位差和投影局域态密度的不同也揭示了它们在Ge-air电池中性能区别的根源。此外,I-V曲线显示Ge(100)/GeO2/Ge(100)器件比Ge(111)/GeO2/Ge(111)器件具有更高的电流。这将有助于从根本上理解不同取向和掺杂的Ge-air电池的电化学性能,为Ge-air电池中Ge阳极的设计提供指导。 相关文章:The surface passivation of Ge(100) and Ge(111) anodes in Ge–air batteries with different doping types and concentrations. RSC Adv., 2019, 9, 39582–39588 锑烯作为钠离子电池负极材料的模拟:第一性原理研究 此研究采用第一性原理计算方法,对钠离子电池(SIB)阳极用锑(Sb)的二维(2D)层进行了建模和研究,计算了化学吸附钠原子与锑原子之间的吸附能荷转移和态密度。半导体锑烯经钠吸附后具有金属性质,有利于电池的应用。较高的金属丰度和有效的电荷转移使锑烯具有更好的导电性。锑电极在钠化过程中是稳定的。我们预测最大比容量为421.63mAh/g,高于工业石墨阳极。计算了钠的活化能垒为0.12 eV,与其他考虑的材料相比,这是较低的。锑烯具有比容量高、膨胀小、扩散势垒小等优点,是SIB阳极材料的潜在候选材料。 相关文章:Modelling of antimonene as […]

离子电池和储能材料研究案例集(一)

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更多相关文章: QuantumATK在电池/储能材料中的应用 离子电池和储能材料研究案例集(一)(本文) 离子电池和储能材料研究案例集(二) 离子电池和储能材料研究案例集(三) 磷酸铁锂中的锂离子扩散过程 磷酸铁锂(LiFePO4)是常用的电极材料。锂电池材料涉及复杂的材料结构、电子态性质和离子动力学过程。在 NanoLab 中,通过构建LiFePO4电极的结构,可以构造锂离子在其中扩散的路径,并使用 NEB 方法优化扩散路径。 NanoLab 中提供的工具还可以使用简谐过渡态理论(Harmonic Transition State Theory)求算扩散速率,详见实例教程。 实例教程:电池用磷酸铁锂(LiFePO4)材料中锂离子的扩散 锂电池材料的界面结构和电子态性质 研究者也可以使用界面研究工具方便的构建并研究界面的几何结构、电子态性质,详见实例教程。文章【J. Phys. Chem. C 2015, 119, 18066−18073】研究了Li2O2、Li2CO3及其界面处的电子导电和离子空位的影响;离子迁移的能垒;极化子输运的能垒。 相关文章:Vegge, T., Hummelshøj, J. S., Jin, C., Mekonnen, Y. S. & Garcia-Lastra, J. M. Role of Li 2 O 2 @Li 2 CO 3 Interfaces on Charge Transport in Nonaqueous […]

工业聚合物制备锂离子电池新型电极材料的理论筛选(Ionics, 2019)

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有机聚合物具有较低的溶解性、较低的自放电速率、较高的机械强度、较高的柔韧性、优异的热稳定性和通用性,有可能成为锂离子电池的电极材料。 北京工业大学孙少瑞课题组计算了文献报道的11种锂离子电池的聚合物电极材料的 ΔEpoly,并与实验值线性拟合得到经验公式: 然后利用半经验公式对未知材料进行预测。考虑到材料的电位、容量和带隙,选择了三种理想的电极材料(16、17、23)。通过对这三种理想电极材料进一步研究发现,LUMO能量越低、杂原子/取代基的电负性越强、材料的电位越高,越有利于设计新型聚合物电极材料。 本文采用AMS软件中的BAND模块完成计算,对于一维周期性体系的计算,由于基组和周期性边界条件的差异,BAND的计算效率与精度,均高于平面波程序。 Huili Lu, Jun Yu, Ge Chen, Shaorui Sun, Theoretical screening of novel electrode materials for lithium–ion batteries from industrial polymers, Ionics (2019)

【QuantumATK亮点文章】水溶锂-空气(Li-air)电池中Li2O2@Li2CO3界面对电荷输运的影响

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参考文献 Yedilfana S. Mekonnen, Juan M. Garcia-Lastra, Jens S. Hummelshøj, Chengjun Jin, and Tejs Vegge, “Role of Li2O2@Li2CO3 Interfaces on Charge Transport in Nonaqueous Li–Air Batteries”, The Journal of Physical Chemistry C 2015 119 (32), 18066-18073 Li-O2非水溶可充电电池中放电产物Li2O2的形成和氧化过程已有很多研究,但较少关注形成的电极-电介质界面,此界面可能会严重影响Li-O2电池的性能。研究者这里将DFT+U方法和非平衡态格林函数方法用于研究Li2O2@Li2CO3界面层在氧气电极一侧的离子和电子迁移特性。发现与纯净的Li2O2相比,由于锂空位在充电过程中在过氧化物部分的富集,导致相干电子输运下降了2~3个数量级。在放电过程中,Li2O2@Li2CO3界面提供了一个面内的快速电子极化子跳跃通道,这可以改善电子电导率并最终增加非水溶Li-O2电池的实际储能。 界面建模:使用VNL中的界面建模工具可以方便的构造Li2O2@Li2CO3界面结构模型; 电子输运计算:使用QuantumATK中的DFT-NEGF方法可以直接计算得到纯净的和有空位的界面的导电性。 离子迁移特性研究:文中提到的用CI-NEB方法研究离子迁移特性也可以在新版的QuantumATK中实现。 DFT+U:文章还指出了要使用 DFT(GGA)哈密顿量正确描述极化子,对某些元素使用 Hubbard+U 模型是必要的,这在QuantumATK和图形界面VNL 中也非常容易实现。 详见相关的实例教程: 电池材料 LiFePO4 中锂离子的扩散 Li-O2电池界面研究

QuantumATK在电池材料模拟与设计中的应用

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概述 QuantumATK 包含 DFT、DFTB、ForceField 等尺度级别的原子级材料模拟方法和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。QuantumATK 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 支持从 Materials Project 和 COD 数据库中导入结构模型 材料数据库私有云框架,可以自建材料数据库 复杂材料模型 随机合金、空位、缺陷、表面、界面、纳米粒子等材料模型 聚合物材料模型,可以构建和研究线性和交联聚合物材料 超大体系与电解质等复杂体系 支持 MTP 机器学习力场,包含完整的力场训练、验证和使用的程序框架 用于常见电解质的新型键合力场,可以定制电荷和进行原子类型分配 在 GUI 中方便地调用键合力场,还可以将键合力场和常规力场结合使用 图形用户界面提供力场编辑工具,可编辑力场所有项,方便的设置部分电荷,模拟静电相互作用 从分子动力学得到振动光谱,理解分子间的相互作用和液相溶剂化 高效率高精度的第一性原理计算 密度泛函理论(DFT)可以研究数千原子体系 对更接近实际尺寸的模型进行第一原理计算计算 使用杂化泛函,包括 HSE06、PBE0、B3LYP、B3LYP5,更精确的计算电子结构,结合能和扩散势垒 与平面波基组相比,使用 LCAO 基组可将速度提高 100 倍,从而实现高效的大规模模拟 更精确的模拟结合能,找到吸附位点 表面性质研究工具 独有的单电极表面模型 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 分子在表面吸附的高级建模工具 快速定位吸附位点,创建指定覆盖度的吸附模型 表面过程建模和热化学分析工具 用于模拟电极表面上的反应 界面性质研究工具 独有的双端无限界面模型 特别适合研究界面体系的结构、电子态、导电以及动力学性质 大规模固体电解质界面(SEI)模拟 使用力场计算可以研究复杂的界面结构和动力学  使用 QuantumATK 可以研究: 正极材料 […]

ADF Highlight:ReaxFF分子动力学模拟锂硫电池中的粒子扩散

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参考文献: M. M. Islam, A. Ostadhossein, O. Borodin, A. T. Yeates, W. W. Tipton, R. G. Hennig, N. Kumar, and A. C. T. van Duin, ReaxFF molecular dynamics simulations on lithiated sulfur cathode materials, Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 3383-3393 (2015) 为了设计更为高效的Li-S电池,对硫阴极材料的结构和动力学行为的理解至关重要。在最近的研究中,ReaxFF分子动力学被用于研究硫阴极材料。在锂化过程中,硫阴极明显发生膨胀,通过ReaxFF模拟非常漂亮的捕获到了这一现象。文中采用了巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)来模拟电池放电过程中的开放回路。硫阴极加载锂的各个阶段,硫和锂的扩散系数,提供了关于电池操作使用过程中的反应动力学和扩散所致应力的重要信息。 本文第一个使用反应分子动力学研究锂硫电池阴极材料,最终应该能够达到化学反应反应环境下,锂硫电池充放电过程的多尺度模拟。这对于设计和改进能源材料是必需的。