一种基于预设成分的电解液模拟分析方法、装置、设备及介质与流程-k8凯发

本发明涉及锂电池，尤其是涉及一种电解液的分子动力学力场参数优化方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、锂电池由四种关键材料组成：正极、负极、电解液和隔膜。其中，电解液主要作用是在正负极间传输锂离子，是锂电池获得高能量密度以及良好安全性能的重要保证。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐以及添加剂等原料，在一定条件下按一定的比例配制而成。过去锂电池电解液的开发主要采用物理实验的手段。实验手段存在着诸多弊端，如研发周期长，无法高通量进行，制备、测试及表征成本高等。随着本领域对分子模拟的认识深入以及计算基础设施和算法的快速发展，借助理论计算的方式对电解液进行模拟研究逐渐成为加速研发的有效手段。

2、然而，目前借助理论计算的方式对电解液进行模拟研究仍存在以下两个方面的问题：第一方面，当前研究体系局限于实际可配制体系，研究范围较窄，对于未配制体系研究较为有限；第二方面，计算参数依经验设置，对于实际体系尚可保证一定程度的准确性，对于新设计体系则需要进行调试；第三方面，实验得到结果的周期较长，成本较高，完全依靠实验筛选已不能满足产品更新需求。

3、如cn115114810a公开了一种电解液模拟分析方法，该方法包括：对电解液体系所含的成分进行结构优化，获取成分初始构象在能量最低时的总能量及分子结构信息；获取电解液体系的密度；对每个原子指派与初始构象匹配的力场形式；构建电解液体系模型并进行初始结构优化；随后进行分子动力学计算，对能量稳定后的体系中各种粒子的构象进行统计，得到粒子的径向函数值等数据；选择电中性-局部溶剂化结构分别进行dft计算，得到相应的homo/lumo能级；获取li粒子均方位移以及电解液扩散系数；分析预测电解液性能。该模拟分析方法的优势在于具有较高的准确性，且模拟过程所需时间较短，成本较低；但由于在整个分子动力学运算过程前需要将实际的待测样品配置出来，接着去测量电解液质量和体积，通过计算获取电解液实际密度，且在整个分子动力学运算过程中，设置的电解液实际密度是不变的，因而该方法就局限在了对实际可配制电解液体系的性能的研究上，对于未实际配制的电解液体系，即基于预设成分的电解液体系的研究有限，需要每次计算前根据新设计电解液体系进行调试。

4、因此，亟待开发一种自动化高精度的基于预设成分的锂金属电池电解液模拟构建分析方法。

5、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种基于预设成分的电解液模拟分析方法。所述电解液模拟分析方法包括以下步骤：对电解液体系所含的成分进行结构优化，获取所述成分的分子初始构象的总能量及能量最低时的分子结构信息；根据所述电解液体系所含的成分，推算所述电解液体系的密度初猜值；根据所述分子结构信息及密度初猜值构建电解液体系模型；对所述电解液体系模型进行分子动力学预平衡计算，得到模拟初始条件；所述分子动力学预平衡计算依次采用正则系综和等温等压系综；根据所述模拟初始条件进行分子动力学计算，得到能量稳定后的体系；所述分子动力学计算包括动力学计算和退火计算，所述动力学计算依次采用等温等压系综、正则系综和微正则系综，所述退火计算采用正则系综；根据所述分子动力学计算结果，分析预设成分的电解液的性能。本发明所述电解液模拟分析方法是一种基于预设成分的锂金属电池电解液模拟构建分析方法，在保证具有较高的准确性，可针对性地研究未配制电解液体系的性能，无需每次在动力学运算前进行电解液的配置并测算其实际密度，且无需每次对于新设计体系进行调试，进一步减少了实验得到结果的周期，降低成本，全流程通过脚本控制，自动进行，无需人工干预。

2、本发明的目的之二在于提供一种电解液模拟分析装置。

3、本发明的目的之三在于提供一种电解液模拟分析设备。

4、本发明的目的之四在于提供一种计算机可读存储介质。

5、为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

6、第一方面，本发明提供一种基于预设成分的电解液模拟分析方法，所述电解液模拟分析方法包括以下步骤：

7、对电解液体系所含的成分进行结构优化，获取所述成分的分子初始构象的总能量及能量最低时的分子结构信息；

8、根据所述电解液体系所含的成分，推算所述电解液体系的密度初猜值；

9、根据所述分子结构信息及密度初猜值构建电解液体系模型；

10、对所述电解液体系模型进行分子动力学预平衡计算，得到模拟初始条件；所述分子动力学预平衡计算依次采用正则系综（nvt）和等温等压系综（npt）；

11、根据所述模拟初始条件进行分子动力学计算，得到能量稳定后的体系；所述分子动力学计算包括动力学计算和退火计算，所述动力学计算依次采用等温等压系综（npt）、正则系综（nvt）和微正则系综（nve），所述退火计算采用正则系综（nvt）；

12、根据所述分子动力学计算结果，分析预设成分的电解液的性能。

13、在可选的实施方式中，所述电解液体系所含成分包括锂盐和溶剂。

14、在可选的实施方式中，所述锂盐选自双氟磺酰亚胺锂盐（lifsi）、双三氟甲磺酰亚胺锂（litfsi）、二氟磷酸锂（lipo2f2）、四氟硼酸锂（libf4）、六氟磷酸锂（lipf6）、二草酸硼酸锂（libob）或二氟草酸硼酸锂（liodfb)中的任意一种或至少两种的组合。

15、在可选的实施方式中，所述溶剂选自醚类溶剂。

16、在可选的实施方式中，所述醚类溶剂选自乙二醇二甲醚、1,3-二氧戊环、1,2-二甲氧基丙烷、1,3-二甲氧基丙烷、二甘醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、1,4-二氧六环或四氢呋喃中的任意一种或至少两种的组合。

17、在可选的实施方式中，所述电解液体系所含成分还包括任选的稀释剂和/或添加剂。

18、在可选的实施方式中，所述添加剂为稀释剂。

19、在可选的实施方式中，所述稀释剂为惰性稀释剂。

20、在可选的实施方式中，所述惰性稀释剂选自氟代烷基醚；具体地，所述氟代烷基醚的结构式为r1-o-r2；其中，r1和r2选自氟代烷基。

21、在可选的实施方式中，所述氟代烷基醚的结构式为cmhnofp；其中，m为2~20的整数，例如可以是，p为≥5的整数。

22、在可选的实施方式中，所述氟代烷基醚选自1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、双(2,2,2-三氟乙基)醚、1,1,1,3,3,3-六氟异丙基甲基醚或2,2,2-三氟乙基-1,1,2,3,3,3-六氟丙基醚中的任意一种或至少两种的组合。

23、在可选的实施方式中，所述分子结构信息包括构象、键长、键角或键能信息中的任意一种或至少两种的组合。

24、在可选的实施方式中，上述分子结构信息由密度泛函理论（dft）计算得到；即由dft计算对锂盐、溶剂、稀释剂的初始构象进行结构优化，分别获得锂盐、溶剂、稀释剂分子初始构象的总能量，得到能量最低时的构象、键长、键角及键能信息。

25、在可选的实施方式中，根据所述电解液体系所含的成分的自身密度、锂盐浓度及各成分之间的质量比，推算所述电解液体系的密度初猜值。

26、在可选的实施方式中，所根据所述分子结构信息及密度初猜值构建电解液体系模型的个数为3~5个，例如可以是3个、4个、5个。

27、在可选的实施方式中，所述电解液体系模型为立方体形状。

28、在可选的实施方式中，所述电解液体系模型的边界长为4~6 nm，例如可以是4 nm、4.2 nm、4.4 nm、4.6 nm、4.8 nm、5 nm、5.2 nm、5.4 nm、5.6 nm、5.8 nm、6 nm等。

29、作为本发明一优选实施方案，当构建电解液体系模型的个数为3个时，所述电解液体系模型的边界长分别为4 nm、5 nm、6 nm。

30、作为本发明另一优选实施方案，当构建电解液体系模型的个数为5个时，所述电解液体系模型的边界长分别为4 nm、4.5 nm、5 nm、5.5 nm、6 nm。

31、在可选的实施方式中，所述电解液体系模型的粒子总数为300~1000个，例如可以是300个、400个、500个、600个、700个、800个、900个、1000个等。

32、在可选的实施方式中，在所述分子动力学预平衡计算的过程中，第一轮模拟系综为正则系综，模拟温度为298~300 k，例如可以是298 k、299 k、300 k等，模拟时长为50~100ps，例如可以是50 ps、60 ps、70 ps、80 ps、90 ps、100 ps等。

33、在可选的实施方式中，在所述分子动力学预平衡计算的过程中，第二轮模拟系综为等温等压系综，模拟温度为298~300 k，例如可以是298 k、299 k、300 k等，模拟时长为50~100 ps，例如可以是50 ps、60 ps、70 ps、80 ps、90 ps、100 ps等。

34、在可选的实施方式中，采用forcite软件或lammps软件进行分子动力学预平衡计算。

35、在可选的实施方式中，所述模拟初始条件的获取方式具体为：

36、根据所述分子动力学预平衡计算结果，选取每轮最后15~40帧，例如可以是15帧、20帧、25帧、30帧、35帧、40帧等（优选为每轮最后20帧）结构，统计温度、密度和总能量；选取平均原子能量最低、温度方差最小、密度方差最小的条件，采用该条件即模型边长、驰豫后密度为模拟初始条件。

37、作为本发明一优选实施方案，

38、当所述电解液体系模型的体积为170 nm3以下时，选取平均原子能量最低、且温度方差最小、密度方差最小的条件；

39、当所述电解液体系模型的体积大于170 nm3时，则选取平均原子能量最低，且温度方差为0~6、密度方差为0~1×10-5，且计算时长最小者。

40、在可选的实施方式中，所述分子动力学计算包括至少六轮动力学计算和至少两轮退火计算。

41、在可选的实施方式中，在所述六轮动力学计算的过程中，前四轮动力学计算采用等温等压系综（npt），第五轮动力学计算采用正则系综（nvt），第六轮计算采用微正则系综（nve）。

42、在可选的实施方式中，在前四轮动力学计算的过程中，温度为298~598 k，模拟时长为0.1~0.3 ns，例如可以是0.1 ns、0.15 ns、0.2 ns、0.25 ns、0.3 ns等；在第五轮动力学计算的过程中，温度为298~300 k，模拟时长为0.1~0.3 ns，例如可以是0.1 ns、0.15 ns、0.2 ns、0.25 ns、0.3 ns等；在第六轮计算动力学计算的过程中，温度为298~300 k，模拟时长为0.1~0.3 ns，例如可以是0.1 ns、0.15 ns、0.2 ns、0.25 ns、0.3 ns等。

43、在可选的实施方式中，在所述两轮退火计算的过程中，退火计算采用正则系综（nvt）。

44、在可选的实施方式中，在退火计算的过程中，温度为480~298 k，模拟时长为0.3~0.5 ns，例如可以是0.3 ns、0.35 ns、0.4 ns、0.45 ns、0.5 ns等。

45、在可选的实施方式中，所述分子动力学计算的总模拟时长为2~3 ns，例如可以是2ns、2.2 ns、2.4 ns、2.6 ns、2.8 ns、3 ns等。

46、在可选的实施方式中，采用forcite软件或lammps进行上述分子动力学计算，全流程通过脚本控制，自动进行，无需人工干预。

47、在可选的实施方式中，根据所述模拟初始条件进行分子动力学计算，得到能量稳定后的体系后，所述电解液模拟分析方法还依次包括以下步骤：

48、根据所述能量稳定后的体系分析各粒子的径向函数（rdf）值、第一溶剂鞘层半径、锂离子与各粒子的配位数，得到体系溶剂化结构的宏观分布。

49、根据所述体系溶剂化结构的宏观分布及配位数特点选择溶剂化结构，分别进行密度泛函理论（dft）计算，得到各结构相应的最高已占据轨道-最低未占据轨道能级（homo-lumo）。

50、根据所述锂离子的均方位移，计算电解液的扩散系数和/或剪切黏度。

51、根据所述溶剂化结构、最高已占据轨道-最低未占据轨道能级、扩散系数和/或剪切黏度，分析预设成分的电解液的性能。

52、第二方面，本发明提供一种电解液模拟分析装置，所述电解液模拟分析装置包括：

53、第一获取模块，用于对电解液体系所含的成分进行结构优化，获取所述成分的分子初始构象的总能量及能量最低时的分子结构信息；

54、推算模块，用于根据所述电解液体系所含的成分，推算所述电解液体系的密度初猜值；

55、构建模块，用于根据所述分子结构信息及密度初猜值构建电解液体系模型；

56、第一计算模块，用于对所述电解液体系模型进行分子动力学预平衡计算，得到计算结果；所述分子动力学预平衡计算依次采用正则系综和等温等压系综；

57、第二计算模块，用于根据所述模拟初始条件进行分子动力学计算，得到能量稳定后的体系；所述分子动力学计算包括动力学计算和退火计算，所述动力学计算依次采用等温等压系综、正则系综和微正则系综，所述退火计算采用正则系综；

58、分析预测模块，分析预设成分的电解液的性能。

59、在可选的实施方式中，所述电解液模拟分析装置还包括第二获取模块，用于统计温度、密度和总能量，计算平均原子能量、温度方差及密度方差，以获取模拟初始条件。

60、在可选的实施方式中，所述电解液模拟分析装置还包括第三获取模块，用于根据所述能量稳定后的体系分析各粒子的径向函数值、第一溶剂鞘层半径、锂离子与各粒子的配位数，得到体系溶剂化结构的宏观分布。

61、在可选的实施方式中，所述电解液模拟分析装置还包括第四获取模块，用于根据所述体系溶剂化结构的宏观分布及配位数特点选择溶剂化结构，分别进行密度泛函理论计算，得到各结构相应的最高已占据轨道-最低未占据轨道能级。

62、在可选的实施方式中，所述电解液模拟分析装置还包括第五获取模块，用于根据所述锂离子的均方位移，计算电解液的扩散系数和/或剪切黏度。

63、第三方面，本发明提供一种电解液模拟分析设备，所述电解液模拟分析设备包括：处理器以及存储由计算机程序指令的存储器；

64、所述处理器执行所述计算机程序指令时实现如第一方面所述的基于预设成分的电解液模拟分析方法。

65、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行实现如第一方面所述的基于预设成分的电解液模拟分析方法。

66、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

67、（1）本发明所述电解液模拟分析方法是一种基于预设成分的锂金属电池电解液模拟构建分析方法，在保证具有较高的准确性，可针对性地研究未配制电解液体系的性能；

68、（2）本发明所述电解液模拟分析方法无需每次在动力学运算前进行电解液的配置并测算其实际密度，且无需每次对于新设计体系进行调试，进一步减少了实验得到结果的周期，降低成本，全流程通过脚本控制，自动进行，无需人工干预。