本發(fā)明屬于海水電池陽極電化學(xué)行為領(lǐng)域，具體涉及一種使用第一性原理預(yù)測(cè)鎂陽極恒流放電性能的方法。

背景技術(shù)：

1、鎂陽極因其高理論容量和合適的工作電壓以及成本較低、儲(chǔ)量豐富、腐蝕產(chǎn)物無污染、更換便捷等特質(zhì)，而被認(rèn)為是下一代儲(chǔ)能裝置的最有前途的陽極。然而，其進(jìn)一步的商業(yè)化因其不同合金在放電過程中出現(xiàn)的電位波動(dòng)，以及隨極化程度而影響增大的負(fù)差數(shù)效應(yīng)、導(dǎo)致鎂合金損耗增大的塊狀效應(yīng)等而被阻礙。第一性原理建模被認(rèn)為是模擬電極過程的有效策略。在第一性原理計(jì)算中，目前對(duì)于鎂陽極表現(xiàn)有效的評(píng)定主要還是以功函數(shù)、態(tài)密度為主，但是在實(shí)際陽極性能評(píng)定上還需要一個(gè)廣泛適用的評(píng)價(jià)方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種使用第一性原理預(yù)測(cè)鎂陽極恒流放電性能的方法，可獲得海水中鎂陽極表面雙電層模型，基于聯(lián)合密度泛函理論，可快速有效地對(duì)其電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種使用第一性原理預(yù)測(cè)鎂陽極恒流放電性能的方法，包括如下步驟：

3、步驟(1)：根據(jù)不同陽極的原子構(gòu)型和排列方式，利用material?studio建立基體模型；切割樣品表面，設(shè)置真空層、溶劑層；

4、步驟(2)：對(duì)步驟(1)形成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何優(yōu)化；

5、步驟(3)：結(jié)合聯(lián)合密度泛函理論，將幾何優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)放入溶劑環(huán)境中溶劑化，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的總能量和界面電子密度、電荷密度、電極電位；

6、步驟(4)：使用步驟(3)的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合計(jì)時(shí)電位法的放電動(dòng)力學(xué)規(guī)律，預(yù)測(cè)出在設(shè)定做功時(shí)間內(nèi)，陽極恒電流放電的電位-時(shí)間關(guān)系。

7、進(jìn)一步的，步驟(1)中選用純mg的基面作為陽極材料。

8、進(jìn)一步的，步驟(1)具體為：計(jì)算出鎂晶胞的晶格參數(shù)，建立一個(gè)含有九層金屬原子層的鎂極板，建立4*4*1的超晶胞；沿晶胞面(1?0?0)進(jìn)行切割；以晶胞模型為基礎(chǔ)平移單元，在切割面處沿c方向平移增加出40埃厚度的真空層，形成初始晶面模型；

9、復(fù)制出兩個(gè)相同的分子模型，分別在鎂陽極板表面的頂位吸附四個(gè)水分子和一個(gè)氯離子。

10、進(jìn)一步的，步驟(2)中使用vasp進(jìn)行真空中的幾何優(yōu)化，并且固定底部6層金屬原子層，允許其余表面層原子以及一層水分子自由移動(dòng)。

11、進(jìn)一步的，步驟(2)具體為：采用密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法中的綴加平面波方法，基于廣義梯度近似的perdew-burke-ernzerhof函數(shù)作為交換相關(guān)函數(shù)，設(shè)置平面波動(dòng)截?cái)嗄?、原子的受力收斂?biāo)準(zhǔn)、自洽場(chǎng)的能量收斂判據(jù)、鎂的電子組態(tài)、布里淵區(qū)的k值和范德華力修正。

12、進(jìn)一步的，步驟(3)中的溶劑化參數(shù)具體為：流體模式選擇為linearpcm，pcm變體為candle，溶劑為設(shè)定濃度的nacl的水；

13、交換關(guān)聯(lián)泛函為gga-pbesol；

14、允許庫侖交互作用并設(shè)置庫侖校正為金屬層的中心對(duì)稱位置；

15、k-point設(shè)置為gamma模式，數(shù)值為5-5-1；

16、設(shè)置電子步最大迭代次數(shù)，收斂閾值和截?cái)嗄堋?/p>

17、進(jìn)一步的，步驟(4)中采用的放電動(dòng)力學(xué)規(guī)律如下所示：

18、

19、其中η是過電勢(shì)；j是給定的遞增的電流密度；是反應(yīng)物濃度，d0是反應(yīng)物的擴(kuò)散系數(shù)；j0是交換電流密度，cr(0,t)是表面x＝0處的濃度，是本體遠(yuǎn)離緊密層濃度η是過電勢(shì)，是常數(shù)。

20、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：

21、應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，通過對(duì)所研究的基體和涂層進(jìn)行分子建模、第一性原理模擬、計(jì)算電化學(xué)性能等步驟，借助聯(lián)合密度泛函理論的方法預(yù)測(cè)海水電池陽極的電化學(xué)性能；本發(fā)明的方法相比于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)方法成本更低，效率更高，無需任何實(shí)驗(yàn)參數(shù)輸入，且提供了一種評(píng)價(jià)表面雙電層參數(shù)的方法，更好為電極材料的制備以及實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

技術(shù)特征：

1.一種使用第一性原理預(yù)測(cè)鎂陽極恒流放電性能的方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)中選用純mg的基面作為陽極材料。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(1)具體為：計(jì)算出鎂晶胞的晶格參數(shù)，建立一個(gè)含有九層金屬原子層的鎂極板，建立4*4*1的超晶胞；沿晶胞面(1?0?0)進(jìn)行切割；以晶胞模型為基礎(chǔ)平移單元，在切割面處沿c方向平移增加出40埃厚度的真空層，形成初始晶面模型；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(2)中使用vasp進(jìn)行真空中的幾何優(yōu)化，并且固定底部6層金屬原子層，允許其余表面層原子以及一層水分子自由移動(dòng)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(2)具體為：采用密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法中的綴加平面波方法，基于廣義梯度近似的perdew-burke-ernzerhof函數(shù)作為交換相關(guān)函數(shù)，設(shè)置平面波動(dòng)截?cái)嗄?、原子的受力收斂?biāo)準(zhǔn)、自洽場(chǎng)的能量收斂判據(jù)、鎂的電子組態(tài)、布里淵區(qū)的k值和范德華力修正。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟(3)中的溶劑化參數(shù)具體為：流體模式選擇為linearpcm，pcm變體為candle，溶劑為設(shè)定濃度的nacl的水；

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(4)中采用的放電動(dòng)力學(xué)規(guī)律如下所示：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于海水電池陽極電化學(xué)行為領(lǐng)域，具體涉及一種使用第一性原理預(yù)測(cè)鎂陽極恒流放電性能的方法。包括如下步驟：(1)根據(jù)不同陽極的原子構(gòu)型和排列方式，建立基體模型；切割樣品表面，設(shè)置真空層、溶劑層；(2)對(duì)步驟(1)形成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何優(yōu)化；(3)結(jié)合聯(lián)合密度泛函理論，將幾何優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)放入溶劑環(huán)境中溶劑化，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的總能量和界面電子密度、電荷密度、電極電位；(4)使用步驟(3)的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合計(jì)時(shí)電位法的放電動(dòng)力學(xué)規(guī)律，預(yù)測(cè)出在設(shè)定做功時(shí)間內(nèi)，陽極恒電流放電的電位?時(shí)間關(guān)系。本發(fā)明可獲得海水中鎂陽極表面雙電層模型，基于聯(lián)合密度泛函理論，可快速有效地對(duì)其電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

技術(shù)研發(fā)人員：苗壯,張亞平,劉偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10