电化学储能中的计算、建模与仿真

本书是“优选储能科学技术与工业应用丛书”的一个分册，本套丛书由中科院物理所李泓研究员牵头组织，涉及储能科学技术与应用的多个方面，助力于推动储能技术的发展和应用。

本书重点介绍了电化学储能中的科学与技术问题、第一性原理计算、分子动力学模拟、蒙特卡罗和渗流模拟、有效介质理论和空间电荷层模拟、相场模拟、多尺度多物理场建模与仿真、老化研究以及材料基因工程。同时对电化学储能涉及的基础理论，计算、建模与仿真方法面临的挑战及展望进行了详尽叙述。本书内容覆盖面较广，蕴含丰富的科学和工程技术问题，注重基本概念、基本原理的阐述及数学表述的严谨性。相关应用案例来自前沿的科学和技术工作者的研究成果。本书可供电化学能量存储和转换材料与器件研发的科研工作者与工程技术人员参考，也可作为高等学校化学、物理、材料、新能源等专业本科生和研究生的教材或教学参考书。

施思齐，教授，博士生导师，现任职于上海大学材料科学与工程学院和材料基因组工程研究院，国家优秀青年科学基金获得者(2016年)。2004年7月博士毕业于中国科学院物理研究所，师从陈立泉院士和王鼎盛院士。2004年8月至2013年5月先后在日本产业技术综合研究所、美国内布拉斯加州-林肯大学和美国布朗大学做博士后或访问学者。主要研究方向为电化学储能材料的计算与设计、材料数据库与机器学习，致力于推动人工智能赋能材料研发。 2001年率先在国内应用第一性原理计算研究锂离子电池材料。已在Nat Catal、Chem Rev、Prog Mater Sci、Natl Sci Rev、Adv Mater等期刊发表论文180余篇。创建了具有独立自主知识产权的电化学储能材料计算与数据平台。承担国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目12项。目前是中国硅酸盐学会固态离子学分会理事、中国材料研究学会计算材料学分会委员。担任《Computational Materials Science》、《Journal of Materials Informatics》、《储能科学与技术》、《硅酸盐学报》、中国物理学会“四刊”和《中国科学：技术科学》等期刊(青年)编委。

第1章电化学储能中的科学与技术问题1
1.1电化学储能概述1
1.2电化学储能中的科学问题2
1.2.1热力学问题2
1.2.2动力学问题4
1.2.3稳定性评价6
1.3电化学储能中的技术问题6
1.3.1多物理场耦合问题6
1.3.2器件老化和失效问题7
1.3.3器件设计问题8
参考文献9
第2章面向电化学储能应用的基础理论简介11
2.1电化学基本原理12
2.1.1电化学基本概念12
2.1.2电化学热力学13
2.1.3电化学动力学16
2.2配位场理论17
2.3缺陷化学基础18
2.4输运物理18
2.5扩散系数20
2.6晶格动力学22
2.7渗流理论24
2.8有效介质理论25
2.9界面双电层26
2.9.1固液双电层26
2.9.2固固双电层28
2.10相变平均场理论29
2.11多物理场耦合理论29
参考文献31
第3章电化学储能中的第一性原理计算36
3.1第一性原理计算方法36
3.1.1薛定谔方程36
3.1.2哈特里-福克自洽场方法37
3.1.3分子轨道能级计算方法38
3.1.4密度泛函理论42
3.1.5交换关联泛函的修正算法44
3.2热力学函数计算指导材料理性设计与结构锚定45
3.2.1电能存储—从热能、势能、机械能到化学能46
3.2.2第一性原理相图计算探究相变微观起源47
3.2.3界面上的物理与化学53
3.2.4微观结构扰动效应59
3.3准粒子结构映射材料内禀特性66
3.3.1电子结构刻画材料物性66
3.3.2缺陷化学理论指导设计储能材料73
3.4离子输运图像79
3.4.1离子输运机制79
3.4.2输运通道识别83
3.5展望92
参考文献93
第4章电化学储能中的分子动力学模拟107
4.1分子动力学模拟概述107
4.2分子动力学模拟的基本原理108
4.3分子动力学模拟的基本设置109
4.3.1分子动力学模拟运行流程以及输入、输出信息109
4.3.2初始构型、速度及边界条件110
4.3.3时间步长111
4.3.4系综、温度与压强111
4.3.5势函数以及力的计算方法112
4.4分子动力学模拟的分类112
4.4.1粗粒度分子动力学模拟113
4.4.2极化分子动力学模拟114
4.4.3反应分子动力学模拟114
4.4.4第一性原理分子动力学模拟115
4.4.5基于机器学习势函数的分子动力学模拟116
4.5分子动力学模拟在电化学储能中的应用116
4.5.1晶态-非晶态转变116
4.5.2液态电解质中微结构表征118
4.5.3电极/电解质界面反应118
4.5.4离子输运性质119
4.5.5枝晶生长影响因素125
4.6分子动力学模拟软件125
4.7展望126
参考文献126
第5章电化学储能中的蒙特卡罗和渗流模拟132
5.1蒙特卡罗模拟132
5.1.1蒙特卡罗模拟概述132
5.1.2蒙特卡罗模拟基本步骤137
5.1.3蒙特卡罗模拟在电化学储能研究中的应用142
5.2渗流模拟148
5.2.1渗流理论概述148
5.2.2渗流模拟的基本步骤152
5.2.3渗流模拟在电化学储能研究中的应用153
5.3蒙特卡罗模拟与其他方法的融合156
5.3.1与渗流模拟融合156
5.3.2与团簇展开方法融合157
5.3.3与键价和计算融合159
5.3.4与分子动力学模拟融合159
5.4展望161
参考文献162
第6章电化学储能中的有效介质理论和空间电荷层模拟167
6.1有效介质理论模拟167
6.1.1有效介质理论概述167
6.1.2有效介质理论方程169
6.1.3基于有效介质理论的离子电导率计算170
6.2空间电荷层模拟171
6.2.1空间电荷层模拟概述171
6.2.2空间电荷层模拟的基本步骤175
6.2.3空间电荷层模拟在电化学储能研究中的应用176
6.3展望179
参考文献179
第7章电化学储能中的相场模拟182
7.1相场模拟概述182
7.2相场模拟中的特征物理量185
7.3电化学相场模拟186
7.3.1经典相场模型简介186
7.3.2电化学相场模拟步骤190
7.3.3电化学相场模拟演化方程190
7.4相场模拟在电化学储能中的应用191
7.4.1离子电导率与相分离191
7.4.2电极材料的力学行为与应力演化194
7.4.3枝晶生长195
7.5展望198
参考文献199
第8章电化学储能中的多尺度多物理场建模与仿真204
8.1多尺度多物理场建模与仿真概述204
8.2颗粒尺度建模与仿真206
8.2.1基本模型206
8.2.2活性材料中的电化学-力学耦合及颗粒机械损伤的控制209
8.2.3活性颗粒表面黏结体系及固态电解质膜的综合调控212
8.3电极尺度建模与仿真216
8.3.1电极的干燥成型216
8.3.2电极的扩散诱导应力219
8.3.3电极的分层和屈曲失效222
8.4多尺度多物理场建模与仿真224
8.4.1理论模型224
8.4.2热场模拟230
8.4.3荷电状态估计233
8.4.4电池容量特性计算233
8.4.5电池阻抗监测技术235
8.5基于均匀化方法的快速建模与仿真237
8.6展望239
参考文献239
第9章电化学储能中的老化研究245
9.1老化概述245
9.2老化机理简介245
9.2.1储存老化245
9.2.2循环老化247
9.3老化模型简介251
9.3.1机理模型251
9.3.2经验/半经验模型259
9.3.3机器学习老化模型260
9.4展望262
参考文献262
第10章电化学储能中的材料基因工程266
10.1材料基因工程概述266
10.1.1材料基因工程的由来和内涵266
10.1.2数据驱动的材料研发模式——第四范式268
10.2电化学储能中的高通量计算与数据平台269
10.2.1高通量计算概述269
10.2.2高通量计算与数据平台269
10.2.3高通量计算助力电化学储能材料筛选276
10.3电化学储能中的机器学习277
10.3.1机器学习概述277
10.3.2机器学习的一般步骤278
10.3.3机器学习在电化学储能中的应用296
10.3.4挑战性问题与对策299
10.4展望303
参考文献304