动力学研究锌负极电化学性能提升的原理——清析客户检测案例

类别：客户案例 431 2024-01-31

2023年9月15日，检测顾问接到某大学的计算需求。接到反馈后，第一时间与客户进行详细沟通，具体情况如下：

客户背景

客户是某大学的博士导师，希望通过模拟计算软件，分析以下问题：实验研究表明，负极表面构筑聚丙烯腈(PAN)/二甲基亚砜（DMSO）/氯化锌/碘化钾的半液态保护层会对锌负极的电化学性能产生显著提升。其中，一个重要的原因就是PAN, DMSO，ZnCl2和碘化钾可能对电解液的溶剂化结构产生影响，促进了锌离子在保护层中的快速输运，最终导致锌负极电化学性能提升。需要通过动力学模拟进一步说明锌负极电化学性能提升的原理。

样品名称

客户需求

研究半液态保护层对1M Zn(OTf)3+H2O基础电解液溶剂化结构的影响。需要获得的数据：

1. 提供普通负极表面电解液和改性负极表面电解液模拟的2D盒子图和局部放大照片；

2. 提供锌负极表面电解液和改性负极表面电解液的径向分布函数和配位数数据。注：空白组（Zn2+-O(H2O), Zn2+-O(OTf)），改性组（Zn2+-O(H2O), Zn2+-O(OTf)，Zn2+-O(DMSO)， Zn2+-N(PAN），Zn2+-Cl-，Zn2+-I-；

3. 计算锌离子在普通电极表面和聚丙烯腈/DMSO/氯化锌/碘化钾半液态保护层中的扩散能垒。

解决方案

分子动力学模拟是观察和理解微观粒子之间相互作用的重要工具。本文中的所有模拟计算都是使用Materials Studio软件包进行的。复合材料结构由非晶电池模块构建。在该模块中，使用蒙特卡罗算法来构建三维周期单元中的随机形态。在所有三个方向上应用周期边界条件（PBC）。为了防止局部能量积累，使结构保持稳定的平衡状态，使用Forcete模块对复合材料结构进行了几何优化和动态仿真。首先，在298K和0.1MPa下进行短500ps NPT模拟，以改变复合材料结构的晶格常数并平衡结构的密度。然后进行了10000ps的NVT模拟，其中温度控制方法为nose（Q比为0.01）。用COMPASSII力场模拟了分子内和分子间的相互作用。电荷是Forcefield分配的，范德华和静电求和方法分别是基于原子的和PPPM，时间步长为1 fs，每5000步输出一帧。

通过动力学确定好配位构型后，选取反应物结构和产物结构在B3LYP/6-31G(d)级别进行几何优化，在得到最稳定的反应物结构和产物结构基础上进行过渡态计算，在初猜结构基础上使用高斯的opt=ts模块进行过渡态搜索。取最优结构在B3LYP/6-31G(d)级别结合DFT-D3(BJ)色散矫正，并进行频率计算，得到具体吉布斯自由能。基于步骤6中提取得到的动力学和量子力学计算文件，对2个小分子与蛋白质之间的反应路径信息进行汇总分析。

客户反馈

数据结果符合预期，计算周期也与客户承诺一致，保证了客户的发稿及时性。

准确按照客户需求建模，计算结果与客户确认无误，服务过程耐心、及时回复、处理客户的需求得到客户的专业性认可。

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