近3年在Science、Nature發表的材料相關工作中，有近70%使用到了計算模擬。與此同時，在各大頂刊的文章中，尤其是涉及到電池和催化機理分析的工作時，理論模擬已經成為主要的分析和證明手段。

比較尷尬的是，實驗與計算的鴻溝仍然很大，很多實驗人員不清楚計算模擬能解決哪些問題，在自己研究的領域如何應用！

我們分析了5000多篇計算模擬在材料研究中的應用文章，篩選了近千優質案例，最終遴選了其中121篇電池材料相關工作以饗讀者。由于篇幅所限，無法展示全部案例，您可以掃描文末二維碼添加微信領取全部121個經典計算案例資料。

電池材料相關計算工作，主要涉及以下10個方向

1. 吸附計算模擬：計算分子在特定材料或晶面的吸附能、吸附位、吸附量等。

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2. 反應機理模擬：不同電流密度下的充放電曲線模擬、電極材料充放電過程中相轉變、反應過渡態模擬、容量損失機理、反應電位演變、表面能、電荷傳輸機制等。

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3. 離子擴散模擬：模擬離子在材料中的擴散，計算電導率和擴散遷移路徑等。

4. 材料改性模擬：摻雜/包覆對電子結構、晶格結構、相結構、離子電導率、電子電導率、理論容量、電極電位、電壓曲線、開路電壓的影響等。

5. 界面反應模擬：電解液/添加劑與電極/SEI膜界面相互作用、金屬鋰枝晶的生長和抑制機理、特定晶面的反應活性等。

6. 結構轉變模擬：分析電極材料體積和結構變化，說明結構穩定性和循環性。

7. SEI膜機理模擬：SEI膜的生長、成分、電導率、力學性質等模擬。

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8. 譜學計算模擬：近邊X射線吸收精細結構（NEXAFS）、NMR譜圖、紅外光譜、紫外可見光譜、拉曼光譜等。

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9. 固態電解質模擬：計算固態電解質的離子電導率和穩定性等。

10.相圖計算模擬：計算材料相圖預測中間相、研究相轉變、判斷結構穩定性等。

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其他計算模擬：能帶、態密度、投影分波態密度、差分電荷密度、彈性帶方法、磁性結構、共價鍵、分子軌道、還原電位、原子互占位溫度和電壓對電極材料的影響、溶劑化自由能、界面穩定性和熱力學穩定性等。

121個電池材料計算案例，秒懂計算模擬在電池領域的應用

案例1：多原子摻雜的協同作用優于單原子摻雜（吸附-VASP）

浙江工業大學陶新永通過DFT計算發現氧、硼共摻雜的碳納米管對多硫化物的吸附作用要強于氧或硼摻雜以及未摻雜的碳納米管，從而說明多種雜原子摻雜之間存在著十分顯著的協同效應。

Jin C, Zhang W, Zhuang Z, et al. Enhancedsulfide chemisorption using boron and oxygen dually doped multi-walled carbonnanotubes for advanced lithium–sulfur batteries[J]. Journal of MaterialsChemistry A, 2017, 5(2): 632-640.

案例2：Li離子在N摻雜碳納米管中的擴散（擴散-VASP）

第一性原理計算的方法研究鋰硫電池中氮摻雜碳納米管，發現氮摻雜能有效降低鋰原子沿著碳納米管和穿過碳納米管的能壘，同時能與硫之間形成N-S鍵，從而對多硫化物有強吸附的作用。基于這一結果，作者預測氮摻雜碳納米管是一種良好的鋰硫電池正極材料。

Wang Z, Niu X, Xiao J, et al. First principles prediction of nitrogen-doped carbon nanotubes as a high-performance cathode for Li–S batteries[J]. Rsc Advances, 2013, 3(37): 16775-16780.

案例3：缺陷對物質吸附及Li的擴散路徑模擬（吸附/擴散-VASP）

有空位缺陷的石墨烯上吸附LiS、LiS₂、LiS₃三種物質的Li擴散路徑和勢能曲線。

Liang Z, Fan X, Singh D J, et al. Adsorption anddiffusion of Li with S on pristine and defected graphene[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2016, 18(45): 31268-31276.

案例4：通過不同中間態自由能的計算預測反應產物沉積機理（自由能-VASP）

通過自由能得到放電中間產物Li₂S在放電終產物 Li₂S_x表面沉積時的機理。Li₂S_x會優先在Li₂S的(110) 表面而非(111)表面沉積，并且趨向于直接形成Li₂S 而非先形成Li₂S₂。

分子模擬計算某一過程的自由能被稱為分子模擬領域的4大難題之一。自由能是自發過程的判據：一個過程自由能降低就能自發進行。

（111）面上不同暫態的分子形態和對應的吉布斯自由能（相對原始的G）

Liu Z, Hubble D, Balbuena P B, et al. Adsorption ofinsoluble polysulfides Li₂S x (x= 1, 2) on Li₂S surfaces[J].Physical Chemistry Chemical Physics, 2015, 17(14): 9032-9039.

案例5：摻雜對固態電解質LLZO離子電導率和穩定性的影響（電導率/穩定性-VASP）

對固態電解質的理論研究主要集中于其鋰離子導率和穩定性，這也是用于鋰離子電池和鋰硫電池固態電解質的共性問題。

研究了Rb、Ta等雜原子摻雜對固態電解質LLZO的離子導率和穩定性的影響， 發現少量的雜原子摻雜并不會顯著改變鋰離子在LLZO中的遷移路徑，但會顯著改變LLZO中鋰離子的濃度，從而改變鋰離子導率。此外，作者還發現LLZO晶胞尺寸對鋰離子導率也會有顯著的影響，晶胞尺寸減小會引起鋰離子導率的迅速下降，但是增大LLZO的晶胞尺寸卻不會有明顯的影響。

Miara L J, Ong S P, Mo Y, et al. Effect of Rb and Ta Doping on the Ionic Conductivity and Stability of the Garnet Li_7+2x–y(La_3–x?Rb_x)(Zr2_–yTa_y) O₁₂(0≤ x≤ 0.375, 0≤ y≤ 1) Superionic Conductor: A First Principles Investigation[J]. Chemistry of Materials, 2013, 25(15): 3048-3055.

案例6：電解液與鋰金屬界面反應模擬（界面反應-VASP）

用AIMD和DFT計算方法研究了DME/LiTFSI、DOL/LiTFSI電解液與金屬鋰之間界面反應，發現LiTFSI優先在金屬鋰表面分解生成LiF，且反應十分迅速，而DME和DOL溶劑在模擬過程中相對穩定，未發生分解反應。

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Camacho-Forero L E, Smith T W, Bertolini S, et al.Reactivity at the lithium–metal anode surface of lithium–sulfur batteries[J].The Journal of Physical Chemistry C, 2015, 119(48): 26828-26839.

案例7：研究鋰離子導體的離子遷移率和穩定性（電導率/穩定性-VASP）

通過結合非彈性中子散射測量和密度泛函計算研究了鋰離子導體的離子遷移率和穩定性，指出快離子導體具有低的鋰振動頻率和低的鋰聲子態密度，而低的陰離子聲子態密度會降低材料對電化學氧化的穩定性。由于具有低的鋰帶中心和高的陰離子帶中心，橄欖石結構材料具有高離子導電性和高穩定性，可以作為鋰離子導體的理想選擇。

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Muy S, Bachman J C,Giordano L, et al. Tuning mobility and stability of lithium ion conductors based on lattice dynamics[J]. Energy & Environmental Science, 2018, 11(4):850-859.

案例8：第一性原理計算研究金屬Li與碘離子之間的界面反應選擇性(界面反應-VASP)

針對Li-I₂電池中碘離子穿梭與金屬鋰負極的反應，通過第一性原理計算研究了金屬鋰與碘離子之間的界面反應選擇性。計算發現金屬鋰的（100）和（110）晶面對碘分子有較強的反應活性，較為易于形成碘化鋰界面層。碘化鋰的溶解和剝離行為與金屬鋰界面碘化鋰的形成厚度存在直接關聯性，當界面碘化鋰較厚時可形成抗溶解的界面層，從而抑制碘分子對于金屬鋰的進一步腐蝕作用。

Liu Z, Hu W, Gao F, etal. An ab initio study for probing iodization reactions on metallic anodesurfaces of Li–I2 batteries[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6(17):7807-7814.

案例9：Ceder第一性原理研究富Ni正極材料的表面相轉變，得到Li-Ni-O的相圖（相圖-VASP）

通過第一性原理計算研究了鋰鎳氧化物的熱力學相平衡，并以此研究富Ni正極材料的表面相轉變。計算了常見的層狀、尖晶石、類尖晶石、巖鹽相等多種Li-Ni-O同比例的材料的能量，并基于此預測中間相，得到Li-Ni-O的相圖。通過蒙特卡洛計算模擬不同相的XRD圖案并通過對比尖晶石和各個XRD 圖案，認為尖晶石表面的相轉變的相為δ-Ni_1.75O₂（Fm-3m）。

Das H, Urban A, Huang W, et al. First-Principles Simulation of the (Li–Ni–Vacancy) O Phase Diagram and Its Relevance for the Surface Phases in Ni-Rich Li-Ion Cathode Materials[J]. Chemistry of Materials,2017, 29(18): 7840-7851.

案例10：計算正極材料去鋰化反應，預測最優組份（充放電機理-VASP）

通過第一性原理計算研究了在不同溫度條件下，基于鋰-鎳氧化物的正極材料的去鋰化反應對相穩定性、化學勢和開路電壓的影響。層狀鋰離子正極材料在充電過程中，主要為類尖晶石結構，而鎳的加入降低了尖晶石的含量。通過去鋰化過程中對相穩定性的分析表明，為減少尖晶石相的形成和氧的析出，Li₂MnO₃.Li(Mn,Ni)O₂電極材料中的Li₂MnO₃組分的含量不應超過60%，而LiMnO₂組分中的Ni含量應在40%以上。

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Albina J M, Marusczyk A,Hammerschmidt T, et al. Finite-temperature property-maps of Li–Mn–Ni–O cathode materials from ab initio calculations[J]. Journal of Materials Chemistry A,2018, 6(14): 5687-5694.

案例11：第一性原理計算預測BC_x作為高容量負極材料的最優組分（摻雜-VASP）

采用第一性原理計算研究了B摻雜石墨烯BC_x作為高容量負極材料的特性。結果表明B摻雜含量提高達到x=2時，質量容量具有最顯著的提高。認為這種提高是由于BC₂比其它的BC_x具有更多的費米能級以上的空電子態。還發現BC₂的鋰離子擴散勢壘和開路電壓都有所降低，具有更好的Li 動力學性能。

Das D, Hardikar R P, HanS S, et al. Monolayer BC2: an ultrahigh capacity anode material forLi ion batteries[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2017, 19(35):24230-24239.