张恒研究员/Fangfang Chen研究员/Javier Carrasco博士ESM综述：二次电池聚合物电解质的纳米尺度模拟- 大数跨境

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张恒研究员/Fangfang Chen研究员/Javier Carrasco博士ESM综述：二次电池聚合物电解质的纳米尺度模拟

科学材料站

2020-12-24

导读：本文重点关注聚合物电解质，特别是固态聚合物电解质的纳米尺度模拟、简要概述了纳米尺度研究聚合物电解质的理论计算方法、讨论了聚合物电解质体系的代表性计算研究、回顾了用于描述和分析聚合物电解质关键本体性质的

文章信息

二次电池聚合物电解质的纳米尺度模拟

通讯作者：张恒*，Fangfang Chen*，Javier Carrasco*

单位：华中科技大学，澳大利亚迪肯大学，西班牙能源合作研究中心

研究背景

自Armand教授于上世纪八十年代提出“摇椅式电池（Rocking-Chair Battery）”的概念，并由Sony公司实现基于这一概念的锂离子电池（LIBs）的商业化以来，三十年间，锂离子电池已经占据了消费电子产品以及小型便携式设备的市场。然而，基于有机液态电解质的锂离子电池技术自身的安全性和能量密度限制了其在电动汽车等新兴领域中的大规模应用。面对下一代电池对能量密度和安全性更为苛刻的要求，普遍认为，采用金属锂负极和固态离子导体的二次固态电池（SSBs）是最可行的解决方案之一。

近年来，材料化学和计算科学的蓬勃发展使得复杂分子系统的纳米尺度模拟逐步成为快速筛选适用于二次固态电池电解质材料的有效方法。例如，基于经典力场的方法（Classical Force Field Based Methods）已广泛应用于阐明聚合物电解质纳米尺度结构和动力学，而从头计算法（Ab Initio Methods）增加了在电子水平上描述和研究问题的准确性。此外，将高通量（HT）计算与机器学习相结合，可以从材料数据库中选择性地识别具有应用前景的分子，为寻找新材料提供了平台。

文章简介

近日，华中科技大学张恒研究员、澳大利亚迪肯大学Fangfang Chen研究员、西班牙能源合作研究中心Javier Carrasco博士在国际顶级期刊Energy Storage Materials上发表题为“Nanoscale modelling of polymer electrolytes for rechargeable batteries”的综述文章。

本文重点关注聚合物电解质，特别是固态聚合物电解质（Solid Polymer Electrolytes）的纳米尺度模拟、简要概述了纳米尺度研究聚合物电解质的理论计算方法、讨论了聚合物电解质体系的代表性计算研究、回顾了用于描述和分析聚合物电解质关键本体性质的计算方法。本文还总结了聚合物电解质纳米尺度模拟的局限性、适用条件以及未来发展方向。

本文要点

要点一：聚合物电解质的原子级动力学可以通过分子动力学（MD）模拟来分析。原子的运动轨迹可以由牛顿力学进行计算。通过考虑足够长的遍历MD轨迹，可以获得系统热力学的信息或探测动力学过程。本文首先介绍了多种基于不同近似法来计算聚合物电解质体系能量方法。从最简单的经典分子动力学方法（Classical MD Approaches）到从头计算分子动力学（Ab Initio MD）,详细讨论了每种方法固有的局限性以及对应的改进方法（图1）。

要点二：电解质单独组分的基本物理化学和电化学性质可通过实验获得。而对电解质单独组分的原子建模能够为分析上述实验性质提供关键参数。自上世纪90年代初以来，基于计算材料学评价碱金属盐在固态聚合物电解质中的潜在应用价值一直是十分活跃的研究领域。例如，从头计算法（Ab Initio Methods）能够：

1、准确确定能量稳定的分子构象（即局部几何结构）；

2、计算碱金属盐中离子对的结合能（即溶解度）；

3、计算分子间旋转的能垒（即结构柔性）；

4、计算电子亲和势和电离势（即电化学稳定性）；

5、预测不可逆的还原/氧化反应。

要点三：分子动力学模拟能够分析聚合物电解质的本体性质，如聚合物电解质的结构和动力学、锂离子在聚合物电解质中的扩散机理和离子传输性质（离子电导率、离子迁移数）和聚合物电解质的电子导电性。

图1.聚合物电解质纳米尺度模拟的主要计算方法 [图片来源：DOI 10.1016/j.ensm.2020.12.014].

文章链接

Nanoscale modelling of polymer electrolytes for rechargeable batteries

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829720304785

通讯作者介绍

张恒，华中科技大学化学与化工学院研究员，博士生导师。

2011年于华中科技大学获学士学位，2016年于华中科技大学获博士学位，博士导师为周志彬教授和聂进教授。2016-2017年，在西班牙能源合作研究中心（CIC Energigune）从事博士后研究，合作导师为著名锂电学者Michel Armand教授。2018-2020年，担任西班牙能源合作研究中心聚合物电解质课题组组长（独立PI）。2020年8月，加入华中科技大学化学与化工学院。目前，以第一作者或通讯作者在Chemical Society Reviews、Angewandte Chemie、Journal of the American Chemical Society、Joule、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Journal of Power Sources等国际一流期刊发表50篇论文，SCI他引1500余次，H指数为22。

课题组招聘

本课题组长期从事含氟能量转换材料化学、固态电解质和固态电池的研究。因工作需要，招聘具备有机合成和高分子化学背景的博士后，有意者请将相关材料发送至：hengzhang2020@hust.edu.cn。