CN114447448A - 一种多组元无机熔盐电解质物理性能的计算方法 - Google Patents

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CN114447448A CN202210004079.XA CN202210004079A CN114447448A CN 114447448 A CN114447448 A CN 114447448A CN 202210004079 A CN202210004079 A CN 202210004079A CN 114447448 A CN114447448 A CN 114447448A
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郭永权
赵兴
苏彤
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Abstract

本发明公开了属于电化学技术领域，特别涉及一种多组元无机熔盐电解质物理性能的计算方法。首先查询无机熔盐电解质单质的晶体结构，获取空间群、晶胞点阵常数、原子占位信息；通过绘图软件构建晶胞，获取晶胞信息：原子键距、配位数；获取单质的熔点、结合能的实验数据；依据EET理论所构建的计算模型，并进行物理性能的计算。本发明具有流程图清晰、计算程序简单、运行数据量小，可以在短时间输出计算结果的优点。节约实验时间和成本。本发明得到的计算结果与实验结果与实验值或理论值高度吻合，计算得到的各项物理性能误差与其他计算方法相比小，计算结果更可靠，可为液态金属电池优化和筛选电解质材料。

Description

一种多组元无机熔盐电解质物理性能的计算方法
技术领域
本发明属于电化学技术领域，特别涉及一种多组元无机熔盐电解质物理性能的计算方法。
背景技术
为缓解经济快速发展过程中所带来的巨大的能源消耗，以及能源与环境之间的矛盾，风能、太阳能等可再生能源集成到电网中的需求不断增加。然而由于上述可再生能源的波动性和不连续性，使得其难以实现大规模并网，对电网构成了巨大挑战。因此，低成本，持久且高效的大规模储能技术是不断增长的可再生能源和智能电网应用的关键推动力。
在目前已有的各类大规模储能技术中，电化学储能技术以其能量密度高、响应时间快、维护成本低、灵活方便等优点，成为今后用于新能源并网的主要储能技术之一。
液态金属电池(LMBS)是一种低成本高效能的电化学储能技术，在规模储能领域展现出了广阔的发展前景。
液态金属电池通常由正极、负极和电解质组成，在工作条件下：电极材料和电解质材料处于液态。液态金属电池工作温度为300℃-700℃，由于正极材料、负极材料、电解质材料的密度不同且互不混溶，三种物质会自动分为三层，从而保证液态金属电池的正常工作。
由于液态金属电池在高温环境下运行，且正负极材料及熔盐电解质具有腐蚀性和挥发性，难以采用实验方法测量液态金属电池的性能。因此通过计算模拟来计算液态金属电池材料的性能如熔点、电压等，受到了研究者的广泛青睐。
目前对于液态金属材料的理论研究方法主要有以下几种：固体与分子经验电子理论(empirical electron theory of solids and molecules-EET)、机器学习(MachineLearning)、分子动理学理论(molecular dynamics simulation-MD)、第一性原理(First-Principles)。
固体与分子经验电子理论(EET)计算模型简单、计算量小、计算结果较为稳定、能同时计算多个性能，且可以直观反映价电子结构与各种物理性能的关系； EET已被用于计算各种金属单质、金属合金和金属间化合物等晶体的价电子结构，并成功地解释了熔点、沸点、相变、合金强化机制、结构稳定性、电性质、力学性质、磁性质和表面能等与价电子结构之间的关系,物理性能计算值与实验值吻合程度较高。
机器学习是一门多学科交叉专业，涵盖概率论知识，统计学知识，近似理论知识和复杂算法知识。随机森林(RF)作为机器学习重要算法之一，是一种利用多个树分类器进行分类和预测的方法。通过随机森林计算熔盐熔点时选取与熔点相关的因素进行模拟分析。
分子动力学是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。
全球能源互联网研究院和西安交通大学(徐丽，王博，韩福盛，等.新型液态金属电池正极材料的探索研究[J].材料科学与工艺，2021， 29(2):2-26.DOI:10.11951/j.issn.1005-0299.20190276)利用分子动力学方法计算多种适用于液态金属电池正极材料的金属和合金材料(Bi、Sb、Te、Sn、Pb)，经过多尺度计算模拟筛选了部分正极合金材料。
第一性原理是根据原子核和电子相互作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，从具体要求出发，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法。
在使用分子动力学与第一性原理计算时，因为计算体量大，需要调用函数包和设置参数，往往需要使用超级计算机；除此之外，在精确求解具体温度下材料的性能时存在一定困难。
通过几种计算方法的对比，EET在模型确定的情况下，可以在短时间内一次性计算出一种组元不同成分比下的价电子结构、熔点及结合能；通过多元电解质单质的熔点、结合能经过流程计算获得多元无机电解质的熔点和结合能，并且计算结果与实验结果拟合较好。为液态金属电池用多组元无机电解质的实验设计、优化与筛选提供有利的帮助。
发明内容
本发明的目的是提供一种多组元无机熔盐电解质物理性能的计算方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1，使用ICDD PDF-4+2009或者JADE的标准XRD衍射卡片库软件查询无机熔盐电解质单质的晶体结构，获取空间群、晶胞点阵常数、原子占位信息；
步骤2，根据查询到无机熔盐电解质单质的晶体结构信息，使用Diamond 软件或者Crystal Maker绘图软件构建晶胞，获取晶胞信息：原子键距、配位数；
步骤3，查阅原子状态杂化表获取所计算无机熔盐电解质各原子价电子结构信息；
步骤4，查阅相图和文献资料获取单质的熔点、结合能的实验数据；
步骤5，利用计算流程进行计算。
所述步骤5根据计算流程进行计算，该计算流程的核心是依据EET理论所构建的计算模型进行计算；包括：
1)晶体结构中两相近原子U、V之间的间距称为共价键距，计算公式为：
Duv(nα)＝Ru(l)+Rv(l)-βlgnα (1)
其中，Ru(l)、Rv(l)为U,V原子的单键半距，nα表示α键上的共价电子对数，
Figure 374691DEST_PATH_FDA0003548827150000011
对于同一体系内，所以共价连接的原子间的键距都遵守公式(1)，可根据各个键距之差导出在各相应键上的共价电子对数目之比，即在各共价键上共价电子数的相对值，因此根据公式(1)构建rα方程
Duv(ni)＝Rui(l)+Rvi(l)-βlgni (2)
计算各共价键键距之差，即公式(1)-(2)得到公式(3)：
Figure 291832DEST_PATH_FDA0003548827150000021
令
Figure 868306DEST_PATH_FDA0003548827150000022
有：
Figure 263516DEST_PATH_FDA0003548827150000023
公式(4)为包含N-1个方程式的方程组；
通过公式(4)可求得各个共价键上电子对数目的相对值，为精确求解nα值，构建nA方程：
nA∑αIαrα＝∑jncj (5)
nA∑αIαrα表示一个结构单元内全部共价键上的共价电子总数，∑jncj表示一个
公式(5)与公式(4)联立，即可求解出在设定原子杂化状态下的N个nα的值，将N个nα的值代入N个公式(4)中，即可求解出N个理论键距，利用键距差判据
Figure 77888DEST_PATH_FDA0003548827150000024
判断原子杂化状态是否与实际符合；其中Dcal为理论键距，Dobs为实际键距；
2)利用EET思想进行物理性能的计算；结合能计算公式为：
Figure 900350DEST_PATH_FDA0003548827150000025
式(6)中：
Figure 167384DEST_PATH_FDA0003548827150000026
n＝1，2，3，4，5，6，7或13；δ＝2，1，0；Iα为等效键数；nα表示α键上的共价电子对数；D(nα)为键距；
Figure 366284DEST_PATH_FDA0003548827150000031
(f 表示成键能力，
Figure 363059DEST_PATH_FDA0003548827150000032
表示s，p，d轨道上的价电子数，nT表示总价电子数；
Figure 356423DEST_PATH_FDA0003548827150000033
Figure 110752DEST_PATH_FDA0003548827150000034
表示平均键距；
Figure 847764DEST_PATH_FDA0003548827150000035
其中f′表示晶格电子的成键能力，nl为晶格电子数；a＝0.1542；m3d表示磁电子数； C＝0.907P(P的取值为6，5，4，3，2，1和0，分别对应于VB，VIB，VIIB，VIIIB 的Fe，Co，Ni，IB，IIB)；
Figure 371149DEST_PATH_FDA0003548827150000036
Z＝nT+m3d+nγ，nγ表示哑对电子数；
3)计算过程中熔点计算公式为：
Figure 800993DEST_PATH_FDA0003548827150000037
其中R为气体常数，R＝8.31J/mol；其余参数所表示的含义与公式(6)相同。
所述判断原子杂化状态是否与实际符合，利用计算流程中根据键距差判据
Figure 104936DEST_PATH_FDA0003548827150000038
熔点判据
Figure 380059DEST_PATH_FDA0003548827150000039
结合能判据
Figure 23530DEST_PATH_FDA00035488271500000310
对结果进行筛选，其中Dcal、Tcal、Ecal为经流程计算得到的理论键距、熔点、结合能；Dobs、Tm、EC为实际键距、实验熔点、结合能；计算完成后，输出熔点、结合能的计算结果与理论键距、熔点、结合能值比较，其值在上述判据内，则表示与实际符合；经实施例计算比较结果，理论键距、熔点、结合能的理论与实际高度符合。
本发明有益效果是本发明计算方法主要基于EET思想，构建计算模型，利用附图1对多组元无机熔盐电解质的熔点、结合能、密度及溶解度进行计算，计算结果与实验结果具有很好的拟合效果，能够为液态金属电池电解质优化与筛选，具有流程图清晰、计算程序简单、运行数据量小，可以在短时间输出计算结果的优点。节约实验时间和成本。本发明得到的计算结果与实验结果拟合效果好，各项物理性能误差与其他计算方法相比小，计算结果更可靠，可为液态金属电池优化和筛选电解质材料。
附图说明
图1为计算多组元无机熔盐电解质物理性能流程图。
图2为LiCl、LiBr和LiI晶胞示意图。
具体实施方式
本发明提供一种多组元无机熔盐电解质物理性能的计算方法，包括步骤：
步骤1，使用ICDD PDF-4+2009或者JADE的标准XRD衍射卡片库软件查询无机熔盐电解质单质的晶体结构，获取空间群、晶胞点阵常数、原子占位信息；
步骤2，根据查询到无机熔盐电解质单质的晶体结构信息，使用Diamond软件或者Crystal Maker绘图软件构建晶胞，获取晶胞信息：原子键距、配位数；
步骤3，查阅原子状态杂化表获取所计算无机熔盐电解质各原子价电子结构信息；
步骤4，查阅相图和文献资料获取单质的熔点、结合能的实验数据；
步骤5，利用(附图1所示的)流程进行计算。
下面结合图1、图2和具体实施例对本发明作进一步详述，
如图1所示为计算多组元无机熔盐电解质物理性能流程图。包括：
1.选取多组元无机熔盐电解质，确定组成成分及各成分之间的比例；
2.查阅ICDD PDF-4+2009或者JADE等标准XRD衍射卡片库软件，获取多组元无机熔盐电解质单质的晶体结构，获取空间群、点阵常数等信息；
3.使用Diamond软件构建多组元无机熔盐电解质单质的晶胞，获取晶胞、配位数、键距等信息；
4.查阅原子状态杂化表获取所计算无机熔盐电解质各原子价电子结构信息，查阅相图或文献查询组成成分单质的熔点和结合能；实际在EET中分子与固体中杂化原子状态采用双态杂化来进行描述，即h态、t态；其中：l,m,n表示h态时s,p,d轨道电子数；l1,m1,n1表示t态时s,p,d轨道电子数；t,t1表示是否存在晶格电子，存在取0，不存在取1；Rh,Rt分别表示h态、t态的单键半距。
5.利用附图1所示的流程进行计算并输出结果。
实施例1
1.选取三元无机熔盐电解质28.81LiCl-11.26LiBr-59.93LiI。
2.使用ICDD PDF-4+2009软件查阅得到LiCl、LiBr和LiI的晶体结构信息，其空间群均为
Figure BDA0003454784020000081
Li占位为4a，Cl原子、Br原子、I原子占位为4b，具体数据如表1所示。
3.使用Diamond软件绘制LiCl、LiBr和LiI的晶胞，从晶胞中获取配位数、键长等，具体数据如图2、表2所示；
4.查阅原子状态杂化表获取所计算无机熔盐电解质各原子价电子结构信息，具体数据如表3所示。
5.查阅相图、文献等资料获得各物质熔点和结合能，具体数据如表2所示。
6.利用附图1所示的流程进行计算并输出结果如下：
28.81LiCl-11.26LiBr-59.93LiI的熔点计算结果为641K，结合能计算结果为2.664eV/atom，熔点和结合能误差分别为
Figure BDA0003454784020000082
键距计算结果如表4所示，计算与理论数据误差均在5％以内，与实验值高度吻合。
实施例2
1.选取三元无机熔盐电解质38.17LiCl-25.34LiBr-57.69LiI。
2.使用ICDD PDF-4+2009软件查阅得到LiCl、LiBr和LiI的晶体结构信息，其空间群均为
Figure BDA0003454784020000083
Li占位为4a，Cl原子、Br原子、I原子占位为4b，具体数据如表1所示。
3.使用Diamond软件绘制LiCl、LiBr和LiI的晶胞，从晶胞中获取配位数、键长等，具体数据如图2、表2所示。
4.查阅原子状态杂化表获取所计算无机熔盐电解质各原子价电子结构信息，具体数据如表3所示。
5.查阅相图、文献等资料获得各物质熔点和结合能，具体数据如表2所示。
6.利用图1所示的流程进行计算并输出结果如下：
38.17LiCl-25.34LiBr-57.69LiI的熔点计算结果为723K，结合能计算结果为2.709eV/atom，熔点和结合能误差分别为：
Figure BDA0003454784020000091
键距计算结果如表5所示，计算与理论数据误差均在10％以内，与实验值高度吻合。从以上的实施例可知通过EET理论所构建的计算模型能够计算不同成分比例的多组元无机熔盐电解质的物理性能，计算得到的结果与实验值或理论值高度吻合。
根据计算结果可以为液态金属电池的构建优化或筛选合适的电解质材。
表1 LiCl、LiBr和LiI的晶体结构信息
Figure RE-GDA0003584531160000081
表2 LiCl、LiBr和LiI的配位数、等同键数、键距、熔点、结合能
Figure BDA0003454784020000093
Figure BDA0003454784020000101
表3原子状态杂化表
Figure RE-GDA0003584531160000092
表4(28.81LiCl-11.26LiBr-59.93LiI)键距计算与理论结果对比
Figure BDA0003454784020000111
表5(38.17LiCl-25.34LiBr-57.69LiI)键距计算与理论结果对比
Figure BDA0003454784020000112
Figure BDA0003454784020000121

Claims (3)

1.一种多组元无机熔盐电解质物理性能的计算方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1，使用ICDD PDF-4+2009或者JADE的标准XRD衍射卡片库软件查询无机熔盐电解质单质的晶体结构，获取空间群、晶胞点阵常数、原子占位信息；
步骤2，根据查询到无机熔盐电解质单质的晶体结构信息，使用Diamond软件或者Crystal Maker绘图软件构建晶胞，获取晶胞信息：原子键距、配位数；
步骤3，查阅原子状态杂化表获取所计算无机熔盐电解质各原子价电子结构信息；
步骤4，查阅相图和文献资料获取单质的熔点、结合能的实验数据；
步骤5，根据计算流程进行计算，得到计算结果。
2.根据权利要求1所述一种多组元无机熔盐电解质物理性能的计算方法，其特征在于，所述步骤5根据计算流程进行计算，该计算流程的核心是依据EET理论所构建的计算模型进行计算；包括：
1)晶体结构中两相近原子U、V之间的间距称为共价键距，计算公式为：
Duv(nα)＝Ru(l)+Rv(l)-βlgnα (1)
其中，Ru(l)、Rv(l)为U，V原子的单键半距，nα表示α键上的共价电子对数，
Figure RE-FDA0003548827150000011
对于同一体系内，所以共价连接的原子间的键距都遵守公式(1)，可根据各个键距之差导出在各相应键上的共价电子对数目之比，即在各共价键上共价电子数的相对值，因此根据公式(1)构建rα方程
Duv(ni)＝Rui(l)+Rvi(l)-βlgni (2)
计算各共价键键距之差，即公式(1)-(2)得到公式(3)：
Figure RE-FDA0003548827150000021
令
Figure RE-FDA0003548827150000022
有：
Figure RE-FDA0003548827150000023
公式(4)为包含N-1个方程式的方程组；
通过公式(4)可求得各个共价键上电子对数目的相对值，为精确求解nα值，构建nA方程：
Figure RE-FDA0003548827150000027
Figure RE-FDA0003548827150000028
表示一个结构单元内全部共价键上的共价电子总数，∑jncj表示一个结构单元内全部原子的总共价电子数；
公式(5)与公式(4)联立，即可求解出在设定原子杂化状态下的N个nα的值，将N个nα的值代入N个公式(4)中，即可求解出N个理论键距，利用键距差判据
Figure RE-FDA0003548827150000024
判断原子杂化状态是否与实际符合；其中Dcal为理论键距，Dobs为实际键距；
2)利用EET思想进行物理性能的计算；结合能计算公式为：
Figure RE-FDA0003548827150000025
式(6)中：
Figure RE-FDA0003548827150000026
n＝1，2，3，4，5，6，7或13；δ＝2，1，0；Iα为等效键数；nα表示α键上的共价电子对数；D(nα)为键距；
Figure RE-FDA0003548827150000031
(f表示成键能力，
Figure RE-FDA0003548827150000032
表示s，p，d轨道上的价电子数，nT表示总价电子数；
Figure RE-FDA0003548827150000033
Figure RE-FDA0003548827150000034
表示平均键距；
Figure RE-FDA0003548827150000035
其中f′表示晶格电子的成键能力，nl为晶格电子数；a＝0.1542；m3d表示磁电子数；c＝0.907P(P的取值为6，5，4，3，2，1和0，分别对应于VB，VIB，VIIB，VIIIB的Fe，Co，Ni，IB，IIB)；
Figure RE-FDA0003548827150000036
Z＝nT+m3d+nY，nY表示哑对电子数；
3)计算过程中熔点计算公式为：
Figure RE-FDA0003548827150000037
其中R为气体常数，R＝8.31J/mol；其余参数所表示的含义与公式(6)相同。
3.根据权利要求2所述一种多组元无机熔盐电解质物理性能的计算方法，其特征在于，所述判断原子杂化状态是否与实际符合，利用计算流程中根据键距差判据
Figure RE-FDA0003548827150000038
熔点判据
Figure RE-FDA0003548827150000039
结合能判据
Figure RE-FDA00035488271500000310
对结果进行筛选，其中Dcal、Tcal、Ecal为经流程计算得到的理论键距、熔点、结合能；Dobs、Tm、Ec为实际键距、实验熔点、结合能；计算完成后，输出熔点、结合能的计算结果与理论键距、熔点、结合能值比较，其值在上述判据内，则表示与实际符合；经实施例计算比较结果，理论键距、熔点、结合能的理论与实际高度符合。
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Title
GUO YONGQUAN等: "Correlation of Valence Electron Structures and Thermal and Electric Properties in Li∥Sb-Based Liquid Metal Batteries", 《ACS APPLIED ENERGY MATERIALS》, vol. 03, no. 06, pages 5361 - 5374 *

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