Evaluating continuum solvation models for the electrode-electrolyte interface: challenges and strategies for improvement
电化学系统的从头算建模正成为理解和预测电化学行为的关键工具。发展和仔细的基准计算电化学方法是必不可少的，以确保其准确性。在这里，使用充电曲线的电极在惰性电解质水溶液的存在下，我们证明，最连续模型，这是参数化和基准的分子，阴离子和阳离子在溶液中，undersolvate金属表面，并低估了表面电荷作为一个功能的应用电位。我们研究这些模型所捕获的电解质和界面的功能，并确定现实的金属表面的电化学计算所需的改进。最后，我们使用Ag（100）的表面电荷作为电压的函数来重新参数化流行的溶剂化模型，以提高金属表面的准确性，而不会显着改变分子和离子溶剂化的效用。
2017-02-27 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Theory of Cation Solvation in the Helmholtz Layer of Li-ion Battery Electrolytes
University of Oxford（牛津大学）；Harvard University（哈佛大学）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Brown University（布朗大学）
本文提出并测试了非水锂离子电池电解质Helmholtz层中阳离子溶剂化理论，通过原子分子动力学模拟验证了该理论在描述溶剂化环境方面的有效性，并发现bulk溶剂化环境可以作为理解新电池电解质的合理起点。
2025-03-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Boosting Room-Temperature Li$^+$ Conductivity via strain in solid electrolytes for Lithium-ion Batteries
用于小型化锂离子电池的固体电解质的大多数候选物的室温（RT）电导率仍然比商业要求低1-2个数量级，因此正在寻求几种旨在提高这种值的方法。在这封信中，我们报告的第一次直接的理论证据，外延应变可以是一个有效的工具，以达到这一目标。
2016-03-16 cond-mat.mtrl-sci
Highly Antioxidative Lithium Salt Enables High-Voltage Ether Electrolyte for Lithium Metal Battery
为解决醚类电解液在高压下不稳定的问题，提出LiPFBS/DME电解液，通过构建坚固的无机主导CEI层并维持SEI兼容性，显著提升了4.6 V高压锂金属电池的性能。
2024-09-26 cond-mat.mtrl-sci
Mapping the Free Energy of Lithium Solvation in the Protic Ionic Liquid Ethylammonuim Nitrate: A Metadynamics Study
理解锂在离子液体中的溶剂化和传输是重要的，因为它们可能在电化学装置中应用。使用第一性原理模拟辅助的metadaptics方法，我们研究了自由能景观无限稀释的锂离子在硝酸乙铵，质子离子液体。我们分析了锂阳离子周围的液体的局部结构，并获得了与实验结果一致的定量图像。我们的模拟结果表明，最低的两个自由能最小值对应的构象与锂离子被溶剂化的三个或四个硝酸根离子之间的过渡势垒为0.2 \eV。其他不太可能的构象具有不同的溶剂化模式也进行了研究。
2017-08-01 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Solvation and Transport of Lithium Ions in Deep Eutectic Solvents
锂基低共熔溶剂（DES）是锂离子电池中环境友好型电解质的优秀候选者。虽然这些DES中的一些已经显示出有希望的结果，但是在DES中的锂离子传输的明确机制尚未建立。本文采用分子动力学模拟和中子散射技术研究了锂在高氯酸锂-乙酰胺体系中的溶剂化和输运过程。基于乙酰胺与相邻分子/离子的氢键合（H-键合），两种状态很普遍：1）与锂离子H-键合的乙酰胺分子（~ 36%）和2）完全游离的乙酰胺分子（~ 58%）。独立地分析它们的随机动力学，可以观察到前者的长程扩散明显慢于后者。这也验证了在同一DES系统上的中子散射实验。此外，锂动力学分析表明，第一类中乙酰胺分子的扩散与锂离子的扩散强烈耦合。平均而言，锂离子在其第一溶剂化中与~ 3.2个乙酰胺分子氢键结合。通过分析乙酰胺和锂离子之间的氢键关联函数，进一步支持了这些观察结果，这表明约90%的锂离子运输是通过车辆运动实现的，其中离子随着其第一溶剂化壳层扩散。本工作的发现是理解锂离子在DES中的溶剂化和传输的重要进展。
2020-06-17 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Stable Lithium Electrodeposition in Liquid and Nanoporous Solid Electrolytes
可充电锂、钠和铝金属基电池是高能量、成本效益高的电化学能量存储的最通用平台之一。在充电和放电的重复循环期间，负极上的不均匀金属沉积和枝晶形成是基于这些化学物质中的每一种的能量存储装置商业化的主要障碍。长期以来的观点是，不稳定的电沉积是这些金属的固有特性以及它们不能在具有不可避免的缺陷的表面上形成均匀的电沉积的结果。我们报告了在简单的液体电解质和注入液体电解质的纳米多孔固体中的锂的电沉积。我们发现，用卤化盐混合物增强的简单液体电解质在室温下表现出稳定的长期循环，通常在数百次充电和放电循环以及数千个操作小时内没有沉积不稳定性的迹象。我们合理化这些意见的帮助下，电解质/锂界面和阻抗分析的界面在不同阶段的电池操作的表面能数据。我们的研究结果为最近的一个重要理论预测提供了支持，即锂的表面迁移率在卤化锂盐的存在下显着增强。
2014-04-24 cond-mat.mtrl-sci
Lithium-ion-based solid electrolyte tuning of the carrier density in graphene
我们已经开发了一种使用锂离子基固体电解质来调节石墨烯中的载流子密度的技术。结果表明，该固体电解质既可以作为支撑石墨烯的衬底，又可以作为背栅，其载流子密度变化可达1 × 10^14/cm ^2，远大于氧化物薄膜的载流子密度变化，与液体电解质的载流子密度变化相当.在150 K下，载流子密度的栅极调制仍然可见，这低于大多数液体门控电解质的玻璃化转变温度。
2016-10-24 cond-mat.mtrl-sci
Thermodynamic effects of solid electrolyte interphase formation from solvation and ionic association in water-in-salt electrolytes
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；University of Oxford（牛津大学）；University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
研究水-盐电解质中固态电解质界面形成对电化学稳定窗口的热力学影响，通过热力学理论分析溶剂化和离子结合对电极-电解质界面反应的影响。
2026-04-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Solvation of the Fluorine Containing Anions and Their Lithium Salts in Propylene Carbonate and Dimethoxyethane
由于锂离子电池的出现，基于碳酸丙烯酯（PC）-二甲氧基乙烷（DME）混合物的电解质溶液具有显著的重要性和紧迫性。锂离子在这些体系中的溶剂化和配位作用是近年来研究的热点。然而，关于阴离子（四氟硼酸盐，六氟磷酸盐）的类似信息仍然缺失。这项工作报告PM 7-MD模拟（电子结构水平的描述），包括有限温度的影响，阴离子溶剂化的PC-DME混合物。报道的结果证明，阴离子出现弱溶剂化。这一观察结果与溶剂分子中缺乏合适的配位位点有关。在浓电解质溶液中，BF 4和PF 6都倾向于以中性离子对（LiBF 4，LiPF 6）的形式存在。
2015-01-30 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Stable artificial solid electrolyte interfaces for lithium batteries
在阳极使用金属锂的可再充电锂金属电池（LMB）由于其高能量密度而成为下一代电化学能量存储装置的最有前途的技术之一，特别是当Li与高能转换阴极（例如硫、氧/空气和二氧化碳）配对时。由于多个顽固的问题，这些设计中的任何一个中的实际LMB仍然难以实现，包括Li金属与液体电解质的寄生反应、电池再充电期间阳极处的不稳定/树枝状电沉积以及溶解的阴极转化产物与Li阳极的化学反应。锂金属和液体电解质之间形成的固体电解质界面（SEI）在所有这些过程中起关键作用。我们报告的化学和界面性质的人工SEI膜的强路易斯酸AlI 3添加剂，锂金属，和非质子液体电解质的原位反应。我们发现，这些SEI膜赋予特殊的界面稳定性的锂金属阳极。我们进一步表明，改进来自至少三个过程：（i）原位形成的锂铝合金，（ii）形成的锂盐层的锂，和（iii）创建一个稳定的聚合物薄膜上的锂金属阳极。
2016-04-14 cond-mat.mtrl-sci
ElectrolyteMD-Bench: How Well Do AI Agents Conduct Molecular Dynamics Studies across Electrolyte Solvation Regimes?
The Hong Kong University of Science and Technology (Guangzhou)（香港科技大学（广州））；University of Macau（澳门大学）
提出ElectrolyteMD-Bench基准，评估AI智能体在三种电解质溶剂化区间中自主完成MD研究的能力，发现所有配置均未能满足全部科学要求，揭示了工作流执行与可靠研究完成之间的差距。
2026-09-29 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Disorder-induced enhancement of lithium-ion transport in solid-state electrolytes
研究通过深度学习势模拟不同无序程度的Li3PS4电解质，发现无序驱动的扩散动力学显著增强室温电导率，并利用机器学习结构指纹揭示离子传导机制。
2024-01-10 cond-mat.mtrl-sci
Lithium Metal Penetration Induced by Electrodeposition through Solid Electrolytes: Example in Single-Crystal Li6La3ZrTaO12 Garnet
固体电解质被认为是使用锂金属作为负电极的可再充电电池中的潜在使能组分，从而可以安全地获得比当今锂离子电池可获得的更高的能量密度。为此，固体电解质必须能够抑制形态不稳定性，所述形态不稳定性导致较差的库仑效率，并且在最坏的情况下导致内部短路。在这项工作中，锂电沉积实验进行使用单晶Li6La3ZrTaO 12石榴石作为固体电解质层，以调查的因素，确定是否发生锂渗透通过脆性无机固体电解质。在这些单晶中，排除了晶界作为锂金属传播的可能路径。然而，维氏显微压痕用于引入已知尺寸的尖锐表面缺陷。使用operando光学显微镜，发现锂金属渗透有时在这些受控的表面缺陷处开始，并且当存在不同尺寸的多个凹痕时，优先从最大的缺陷传播。然而，第二类缺陷被认为是同样或更重要的。在表面集电器的周边，增强的电沉积电流密度导致锂金属填充的裂纹开始并生长至穿透，即使当大的维氏缺陷非常接近时。模拟的实验配置的电场浓度，它表明，在字段中的增强因子5可以很容易地发生在10微米的集电器的不连续性，我们解释为电化学机械应力的起源导致故障。这样的场放大可以确定超临界表面缺陷在电沉积期间支配锂金属传播的位置，从而压倒其他地方存在的较大缺陷。
2018-08-06 cond-mat.mtrl-sci
Decoding the Competing Effects of Dynamic Solvation Structures on Nuclear Magnetic Resonance Chemical Shifts of Battery Electrolytes via Machine Learning
本研究通过机器学习预测LiFSI/DME电解质中动态$^7$Li核磁共振化学位移，揭示两种竞争溶剂化结构在高浓度下的优势转变，解释化学位移反常逆转，为电解质设计提供分子级见解。
2025-04-22 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Stability of Solid Electrolyte Interphase Components on Lithium Metal and Reactive Anode Material Surfaces
锂离子电池（LIB）的特征在于在低电位下操作的反应性阳极，例如锂金属或硅，其通过固体电解质界面（SEI）膜钝化。众所周知，随着循环的进行，SEI会随着时间的推移而演变。在这项建模工作中，我们专注于两个主要的SEI组件，碳酸锂（Li 2CO 3）和锂乙烯二碳酸酯（LEDC）的稳定性。两种组分在接近平衡Li+/Li（s）电势时电化学稳定，但在接近平衡Li+/Li（s）电势时电化学不稳定。界面反应是引发本征热力学不稳定性的一种方式。预测Li（2）CO（3）和LEDC都在锂金属表面上表现出放热反应，并且势垒足够低以允许电池操作时间尺度上的反应。LEDC也容易在高Li含量的Li（x）Si表面上分解。我们的研究表明，锂金属表面上最内层的SEI层应该是Li（2）O薄层-唯一的化学和动力学稳定组分（在没有氟化物源的情况下）。这项工作也应该与电池循环过程中的锂电镀和Li（x）Si表面上的SEI演变有关。
2016-05-23 cond-mat.mtrl-sci
A Comparative Study of Molecular Dynamics Approaches for Simulating Ionic Conductivity in Solid Lithium Electrolytes
Université de Montréal（蒙特利尔大学）；Mila – Quebec AI Institute（米拉-魁北克人工智能研究所）；National Research Council Canada（加拿大国家研究委员会）；Institut Courtois, Université de Montréal（蒙特利尔大学库尔图瓦研究所）
本文比较了密度泛函理论和通用机器学习互原子势在模拟21种固态锂电解质离子导电性中的性能，发现两者表现相当，尽管MACE在GPU上比DFT快350倍。
2026-03-30 cond-mat.mtrl-sci
Electronic Structure Modeling of Electrochemical Reactions at Electrode/Electrolyte Interfaces in Lithium Ion Batteries
综述了锂离子电池电极/电解质界面的从头算分子动力学研究进展。我们的目标是向实验主义者介绍适用于迄今为止最忠实于实验条件的模型的模拟技术，并向理论家强调这一主题固有的跨学科性质需要弥合固态和液态观点之间的差距。我们考虑了液体碳酸乙烯酯（EC）在锂嵌入石墨，锂金属，氧化物涂层石墨和尖晶石锰氧化物表面上的分解。这些计算被放在更广泛研究的水-固界面的背景下。我们的主要主题包括动力学控制的双电子诱导反应，打破以前被忽视的化学键EC，和电子隧穿。未来在原子尺度上对电池进行建模的工作需要超越最先进的能力，这强调了应用电池研究可以而且应该推动基础科学的发展。
2013-04-22 cond-mat.mtrl-sci
Effect of lithium bis(oxalato)borate on the Structural, microstructural and electrochemical properties of blend solid polymer electrolyte
采用溶液浇铸法制备了以PEO、PVP为主体的锂离子复合聚合物电解质LiBOB，考察了LiBOB对聚合物电解质的形貌、结构和电化学性能的影响。XRD和FESEM分析表明，盐的加入提高了非晶含量。FTIR光谱证明了络合物的形成。优化体系的离子电导率比无盐体系高两个数量级，即~0.5x10-5 S cm-1（@RT），当O/Li=16时，提高到~0.65 mS cm-1（@100 oC），电导率随温度的变化符合Arrhenius性质。高的离子（~0.99）证明了络合电解质的离子性质。DSC分析表明，结晶度的抑制和玻璃熔融温度向低温移动意味着非晶含量的增加。最后，提出了一个相互作用机制，探索离子传输机制。本电解质体系可作为固态电池的潜在候选者
2018-07-04 cond-mat.mtrl-sci
A Fibrous Solid Electrolyte for Lithium-ion Batteries
在这项工作中提出的新方法使用氧化物细丝/纤维代替致密的薄膜电解质，从而允许：（i）直接制造而不使用昂贵的薄膜生产技术，（ii）现有锂离子电池生产线的微小变化，以及（iii）更好的机械稳定性和电化学性能。采用静电纺丝技术制备了Li 7 La 3 Zr 2 O 12（LLZO）纤维作为电解质。利用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）对产物的物相和形貌进行了表征。结果表明，所制备的电解液在电池安全性和性能方面是电动汽车用全固态电池的良好替代品。
2017-05-27 cond-mat.mtrl-sci
Electrochemical stability and lithium insertion at the Li|Li3OCl solid electrolyte interface
Royal Institute of Technology（皇家理工学院）；Karlstad University（卡尔斯特大学）；Uppsala University（乌普萨拉大学）
研究通过第一性原理密度泛函理论计算，分析了锂金属负极与Li3OCl固态电解质界面的结构稳定性、电子结构及电化学行为，揭示了界面的稳定性和锂插入的不利能量特征，为固态锂电池电解质开发提供原子尺度见解。
2026-04-12 cond-mat.mtrl-sci
Diffusion of Lithium Ions in Lithium-Argyrodite Solid-State Electrolytes from Equilibrium and Nonequilibrium Molecular Dynamics Simulations
使用固态电解质来提供更安全的下一代可再充电电池变得更加可行，因为设计了具有更大稳定性和更高离子扩散系数的新材料。然而，在固体中扩散系数的准确测定是有问题的，并且可靠的计算是非常受欢迎的。在本文中，我们首次比较了使用非平衡和平衡从头算分子动力学模拟计算的高扩散固态电解质的扩散系数，以证明可以获得的准确性。此外，我们表明，从头算非平衡分子动力学可以用来确定扩散系数时，扩散太慢，它是可行的，以获得他们使用从头算平衡模拟。因此，使用从头算非平衡分子动力学模拟，我们能够获得准确的估计锂离子在Li $_6$ PS $_5$ Cl和Li $_5$ PS $_4$ Cl $_2$，两个有前途的电解质全固态电池的扩散系数。此外，这些计算表明，锂离子在Li $_5$ PS $_4$ Cl $_2$中的扩散系数高于许多其他潜在的全固态电解质，使其有望用于未来技术。还讨论了使用计算和实验方法确定的电导率变化的原因。它表明，小程度的无序和空缺，可以导致在数量级的差异，在锂$_6$ PS $_5$ Cl中的锂离子的扩散系数，这些因素很可能有助于在实验报道的值中观察到的不一致。值得注意的是，Li空位和无序的引入可以增强Li $_6$ PS $_5$ Cl的离子电导率。
2019-12-06 cond-mat.mtrl-sci
Deciphering Interphase Instability of Lithium Metal Batteries with Localized High-Concentration Electrolytes at Elevated Temperatures
本文揭示了局部高浓度电解液锂金属电池在高温下因氟自由基引发溶剂分解和链式反应导致CEI重构及循环性能下降的机理，并提出引入DODSi酸清除剂以稳定CEI、抑制微裂纹，使电池在80 °C下100次循环后容量保持率达93.0%。
2024-01-11 cond-mat.mtrl-sci
Stability and surface diffusion at lithium-electrolyte interphases with connections to dendrite suppression
这项工作提出了一个从头探索的基本机制与直接相关的枝晶形成在锂电解质界面。具体而言，我们探索了锂金属电极的典型固体电解质界面层的表面扩散势垒和溶剂化表面能。我们的研究结果表明，表面扩散是一个重要的机制，了解最近观察到的枝晶抑制锂卤化物钝化层，这是我们以前的工作的动机。我们的研究结果揭示了减轻锂在金属上的树枝状电沉积的新途径的可能机制，从而有助于为可充电电池系统开发稳定的锂金属阳极的持续努力。
2015-04-22 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Effect of salt concentration on the solubility, ion-dynamics, and transport properties of dissolved vanadium ions in lithium-ion battery electrolytes: Generalized solubility limit approach (Part II)
在这篇文章中，我们使用分子动力学模拟研究了超浓电解质的输运性质，这已被实验证明，以延缓元素的溶解含钒阴极材料。用非极化优化势-全原子力场研究了1 ~ 7摩尔双（三氟甲磺酰基）酰亚胺锂在1，3-二氧戊环和1，2-二甲氧基乙烷混合溶剂中的五种组成。模拟的物理化学性质，如离子电导率，自扩散系数和密度，观察到匹配以及通过实验获得的结果。径向分布函数分析揭示了盐阴离子和钒阳离子之间的强协调的电解质从盐在溶剂型过渡到溶剂在盐型电解质。一个高的阴离子含量的钒阳离子的第一溶剂化壳层中的溶剂在盐型电解质，通过离子簇计算。用自由能微扰法计算了溶剂化自由能，结果表明超浓电解质可以延缓活性物质的溶解。离子动力学的集群显示，钒阳离子的传输发生对它的浓度梯度，由于强烈的库仑相互作用与盐的阴离子在超浓电解质。几种含钒阴极材料的循环性能的改善为本文中描述的理论框架提供了有力的证据。
2021-11-29 cond-mat.mtrl-sci
Combinatorial Printing of Functionally Graded Solid-State Electrolyte for High-Voltage Lithium Metal Batteries
针对异质多层固态电解质层间界面降低离子电导率的问题，提出组合气溶胶喷射印刷技术制备无尖锐界面的功能梯度固态电解质，显著提升电导率与氧化稳定性，电池循环和倍率性能更优。
2024-04-13 cond-mat.mtrl-sci
A Unified Predictive and Generative Solution for Liquid Electrolyte Formulation
本文提出一个结合正向预测与逆向生成的统一框架，用于高效设计液体电解质，并实验验证了三种兼具高离子电导率和阴离子浓缩溶剂化结构的候选配方。
2025-10-09 cond-mat.mtrl-sci
Interfacial Strain Effects on Lithium Diffusion Pathways in the Spinel Solid Electrolyte Li-Doped MgAl$_2$O$_4$
(Li，Al）共掺杂镁尖晶石（Li $_x$ Mg $_{1-2x}$ Al $_{2+x}$ O $_4$）是一种固体锂离子电解质，有可能用于全固态锂离子电池。与尖晶石电极（例如Li $_y$ Mn $_2$ O $_4$和Li $_{4+3z}$ Ti $_5$ O $_{12}$）的界面可以是晶格匹配的，具有潜在的低界面电阻。晶格匹配界面上的小晶格参数差异是不可避免的，导致残余外延应变。这种应变可能会改变界面附近的锂扩散，从而导致界面电阻。在这里，我们报告了一个密度泛函理论研究的应变影响的锂扩散途径（锂，铝）共掺杂镁尖晶石，$x_\mathrm{Li} = 0.25$和$x_\mathrm{Li} = 0.5$。我们已经计算了扩散分布的非应变材料，各向同性和双轴拉伸应变高达6%，对应于{100}外延界面与Li $_y$ Mn $_2$ O $_4$和Li $_{4+3z}$ Ti $_5$ O $_{12}$。我们发现，各向同性的拉伸应变减少锂扩散障碍多达0.32 eV，与典型的障碍减少约0.1 eV。这种效应与过渡八面体站点的体积增加有关，并且广泛地遵循局部静电势。对于双轴（外延）应变变化的八面体网站的体积和锂扩散障碍比各向同性应变小得多。典型的势垒仅降低~ 0.05 eV。然而，个体效应取决于所考虑的途径和相对应变方向。这些结果预测，各向同性应变强烈影响离子电导率（Li，…
2018-02-22 cond-mat.mtrl-sci
Unveiling the Lithium-Ion Transport Mechanism in Li2ZrCl6 Solid-State Electrolyte via Deep Learning-Accelerated Molecular Dynamics Simulations
本研究通过深度学习加速的分子动力学模拟，揭示了Li2ZrCl6固态电解质中锂离子传输机制，发现α相具有更高电导率，为优化LZC基电解质提供原子尺度指导。
2025-10-08 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio Study on Lithium Anode Interface Instability and Stabilization of Superionic Li3InCl6 and Li6PS5Cl Solid Electrolytes
该研究通过从头算计算揭示了LIC-Li和LPSC-Li界面的不稳定性，发现LPSC-Li具有稳定界面相而LIC-Li没有，并系统评估了中间层材料，为全固态锂电池稳定界面的开发提供了理论指导。
2024-12-03 cond-mat.mtrl-sci
Simulated sulfur K-edge X-ray absorption spectroscopy database of lithium thiophosphate solid electrolytes
X射线吸收光谱（XAS）是材料表征的首要技术，提供有关吸收体原子局部化学环境的关键信息。在这项工作中，我们开发了一个数据库的硫K边XAS光谱的结晶和非晶硫代磷酸锂材料的原子结构的基础上报告的化学材料，34，6702（2022）。XAS数据库是基于使用维也纳从头算模拟包中实现的激发电子和芯孔赝势方法的模拟。我们的数据库包含66个晶体和玻璃结构模型的2681 S K边XAS光谱，使其成为迄今为止玻璃/陶瓷硫代磷酸锂的第一原理计算XAS光谱的最大集合。该数据库可用于关联S光谱特征与不同的S物种的基础上，他们的本地协调和短程有序的硫化物为基础的固体电解质。这些数据通过材料云公开分发，允许研究人员免费访问并用于进一步分析，例如光谱指纹，与实验匹配和开发机器学习模型。
2023-01-31 cond-mat.mtrl-sci
Structural and transport properties of LiTFSI/G3 electrolyte with machine-learned molecular dynamics
本研究开发了基于自助法和主动学习的神经进化势模型，通过机器学习分子动力学模拟系统研究了LiTFSI/G3电解质的结构、粘度及锂离子扩散性质，揭示了浓度对Li-O相互作用和输运性能的影响。
2025-03-30 cond-mat.mtrl-sci
Direct in-situ measurement of electrical properties of solid electrolyte interphase on lithium metal anode
本文采用原位偏压透射电子显微镜直接测量Cu和Li基底上SEI的电学性质，发现其并非典型绝缘体，而是具有电压依赖的微分电导。
2023-04-22 cond-mat.mtrl-sci
Li+ solvation in pure, binary and ternary mixtures of organic carbonate electrolytes
采用经典分子动力学（MD）模拟和量子化学密度泛函理论（DFT）计算方法，研究了锂离子在碳酸酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）和碳酸二甲酯（DMC）及其二元（EC-DMC，摩尔比1：1）和三元（EC-DMC-PC，摩尔比1：1：3）混合溶剂中的溶剂化行为.两种方法所得结果表明，与四个溶剂分子的配合物周围Li+，表现出强的局部四面体秩序，是最有利的。然而，分子动力学模拟揭示了存在显着的结构异质性，延伸到长度尺度，这是超过五倍的大小的第一配位壳半径。由于这些显着的结构波动，在体相液相中，在DFT计算中使用较大尺寸的集群已被建议。相反的DFT计算结果的小孤立的集群，MD模拟预测的优先选择Li+与DMC分子在其第一溶剂化壳层，而不是与高极性EC和PC的，在二元和三元混合物。这种行为归因于Li+的第一溶剂化壳层中溶剂分子的局部四面体堆积，这导致单个分子偶极矢量的抵消，并且这种效应在存在相同类型分子的情况下似乎更重要。由于这些抵消效应，当DMC的局部摩尔分数高时，Li+的第一溶剂化壳层中的总偶极子增加。
2015-03-09 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Raman Signatures of Lithium Ion Dynamics in LLZO Garnet Electrolytes: Atomistic Insights from MD-Raman Calculations
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Fritz-Haber-Institut of the Max-Planck-Society（马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯研究所）
本研究结合MD-拉曼方法计算LLZO不同相及Ta掺杂变体的拉曼光谱，揭示其拉曼特征与锂离子动力学的原子级关联，为拉曼光谱用于探测锂石榴石电解质的锂离子动力学提供了微观依据。
2026-10-27 cond-mat.mtrl-sci
Capacity Fade due to Side-reactions in Silicon Anodes in Lithium-ion Batteries
结果表明，在锂化/脱锂循环期间，在新鲜暴露的电极表面上连续发生的电解质还原反应导致循环效率降低，并且因此导致锂离子电池中良好循环的硅阳极的容量衰减。使用来自Li/Si半电池上的多个循环的恒电流锂化/去锂化数据，提出了将由于主反应（Si的锂化/去锂化）引起的电荷与副反应（电解质还原）分离的方法。对于以下三种常用的锂离子电解质制剂，在环境温度下在良好循环的非晶硅薄膜电极上估计这种寄生副反应的速率：碳酸亚乙酯和碳酸二亚乙酯（EC：DEC）的混合物，具有和不具有氟代碳酸亚乙酯（FEC）添加剂，以及碳酸亚丙酯（PC），全部含有1.2M六氟磷酸锂。在这三种制剂中，含有EC：DEC和FEC添加剂的电解质由于副反应而表现出最低的库仑损失，其次是PC和不含FEC添加剂的EC：DEC（即，EC：DEC + FEC> PC> EC：DEC）。在自放电、容量衰减、电池管理系统算法的开发和锂离子电池的精确数学建模的背景下，讨论了在良好循环的电极上估计侧反应速率的重要性。
2020-02-17 cond-mat.mtrl-sci
Pressure-regulated mechanochemistry at lithium metal-sulfide electrolyte interfaces
Seoul National University（首尔大学）
本研究通过压力感知机器学习分子动力学方法，揭示了压力大小、加载几何对锂金属-硫化物电解质界面中间相形成的非单调调控作用，为硫化物固态电池压力效应提供了机制框架。
2026-09-02 cond-mat.mtrl-sci
An interlayer with low solubility for lithium enhances tolerance to dendrite growth in solid state electrolytes
采用金属锂作为阳极的所有固态锂离子电池提供更高的能量密度，同时也比常规的基于液体电解质的锂离子电池更安全。然而，穿过固态电解质层的微小锂丝（枝晶）的生长导致电池过早短路并限制其实际可行性。导致固态电池中锂枝晶生长的微观机制仍然不清楚。使用石榴石基锂离子导体作为模型固态电解质，我们表明，在锂溶解过程中的界面空隙生长之前的枝晶形核和生长。使用一个简单的静电模型，我们表明，在空隙的边缘的电流密度可以被放大多达四个数量级，使细胞非常容易在空隙形成后的枝晶生长。我们建议使用具有低溶解度和高成核过电位的金属夹层来延迟空隙的生长。这些中间层增加了固态电解质中的枝晶生长耐受性，而不需要过高的堆压力。
2020-01-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Enhancing electrochemical intermediate solvation through electrolyte anion selection to increase nonaqueous Li-O$_2$ battery capacity
在“超越锂离子”的电池化学中，非水Li-O $_2$电池具有最高的理论比能，因此在过去十年中吸引了大量的研究关注。非水Li-O $_2$电池面临的一个关键科学挑战是主要放电产物过氧化锂的电子绝缘性质，过氧化锂在形成时钝化电池阴极，导致最终电池容量低。最近，已经报道了提高溶解度以规避该问题的策略，但是依赖于进一步降低系统的总体电化学稳定性的电解质制剂，从而不利地影响电池的可再充电性。在这项研究中，我们报告了一个显着的增强（大于四倍），在锂-O $_2$电池容量是可能的，通过适当地选择在电解质溶液中的盐阴离子。使用$^7$锂核磁共振和建模，我们证实，这种改进是由于增强的锂$^+$在溶液中的稳定性，这反过来又诱导溶解度的中间体，以锂$_2$ O $_2$形成。使用该策略，减轻了鉴定具有高中间溶解度和溶剂稳定性的反相关性质的电解质溶剂的挑战性任务，潜在地提供了开发提供高容量和可再充电性的电解质的途径。我们相信，本文提出的模型和策略通常可用于提高许多电化学系统（例如Li-S电池）的库仑效率，其中改善溶液中的中间稳定性可以诱导所需的产物形成机制。
2015-03-26 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Particle Morphology and Lithium Segregation to Surfaces of the Li$_7$La$_3$Zr$_2$O$_{12}$ Solid Electrolyte
用于固态锂离子电池的固体电解质激发了对下一代能量存储应用的极大兴趣。Li $_7$ La $_3$ Zr $_2$ O $_{12}$石榴石型固体电解质由于其高离子电导率而受到相当大的关注。然而，基于Li $_7$ La $_3$ Zr $_2$ O $_{12}$的固态器件的成功应用仍然存在若干挑战，例如枝晶形成和在许多Li嵌入/提取循环中保持界面处的物理接触。在这里，我们应用第一性原理密度泛函理论提供的见解，在各种物理和化学条件下的Li $_7$ La $_3$ Zr $_2$ O $_{12}$粒子形态。我们的研究结果表明，锂偏析的表面，建议富锂晶界在典型的合成和烧结条件。我们的研究结果的基础上，我们提出了切实可行的策略，以遏制Li $_7$ La $_3$ Zr $_2$ O $_{12}$接口的Li偏析。这种方法可以扩展到其他锂离子导体的实际储能装置的设计。
2018-04-14 cond-mat.mtrl-sci
Observation of Order and Disorder in Solid-Electrolyte Interphases of Lithium-Metal Anodes
该研究利用低温扫描电子纳米束衍射技术，首次在锂金属负极固态电解质界面中观测到短程有序与氟化锂纳米微晶混合结构，并证明短程有序仅存在于高可逆性电解质中，从而揭示界面结构对锂沉积形貌和电池性能的直接调控作用。
2025-05-06 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph
Application of sodium-ion-based solid electrolyte in electrostatic tuning of carrier density in graphene
利用固体电解质来调节薄膜材料中的载流子密度是一种新兴的技术，在基础研究和应用研究中具有潜在的应用。到目前为止，只有含有小离子的材料，如质子和锂离子，才被用来证明门控效应。在这里，我们报告了实验室合成的钠离子基固体电解质的研究，其显示出比先前报道的锂离子基固体电解质更强的调节石墨烯中载流子密度的能力。我们的研究结果可能会刺激寻找更适合门控应用的固体电解质，利用许多现有的材料开发的电池研究。
2017-06-15 cond-mat.mtrl-sci
Local Structure Dictates Ionic Transport and Mechanical Properties in Glassy Solid Electrolytes for Lithium Batteries
Aalborg University（奥尔堡大学）；The Hong Kong Polytechnic University（香港理工大学）；Tohoku University（东北大学）；Corning Incorporated（康宁公司）
本研究采用分子动力学模拟揭示玻璃态Li-S-P-B-I电解质中B-S与P-S网络的相互作用，发现适量P₂S₅可通过解聚硼框架提升离子电导率并实现脆-韧转变，过量则阻碍Li⁺迁移，为相关玻璃电解质设计提供原子层面原理。
2026-08-10 cond-mat.mtrl-sci
Tailoring of Grain Boundary Structure and Chemistry of Cathode Particles for Enhanced Cycle Stability of Lithium Ion Battery
层状结构的富镍锂过渡金属氧化物阴极商业化的最大挑战是容量和电压衰减。多年来，这个问题的解决取得了渐进的进展。在这项工作中，我们报告了我们发现的一种全新的方法，可以彻底改变锂离子电池聚集阴极颗粒在室温和高温下的循环稳定性。我们发现，将固体电解质注入阴极二次颗粒的晶界中可以显著提高电池的容量保持率和电压稳定性。我们发现，固体电解质注入的边界不仅作为一个快速通道的锂离子传输，但也最重要的是防止液体电解质渗透到边界，从而消除了不利因素，包括固-液界面反应，晶间开裂，和层到尖晶石相变。本工作首次揭示了阴极在不与液体电解质接触的情况下如何表现的前所未有的洞察力，最终指出了通过晶界工程设计更好的固液和固态系统电池的一般新路线。
2017-10-17 cond-mat.mtrl-sci
Pseudo-ternary LiBH4-LiCl-P2S5 system as structurally disordered bulk electrolyte for all-solid-state lithium batteries
研究了LiBH_4-LiCl-P_2S_5混合体系在全固态电池中的性能。所研究的材料在加热到601 ℃以上时发生非晶化，伴随着有利于电池电解质应用的Li+电导率增加。在室温下测得的离子电导率为10- 3Scm-1，非晶化后的激活能为0.40（2）eV。材料的结构分析和表征表明，BH 4基团和PS 4可能属于相同的分子结构，其中Cl离子相互作用以容纳结构单元。由于其导电性，延展性和电化学稳定性（高达5 V，Au vs. Li+/Li），这种新的电解质在使用阴极材料（层状TiS 2，theo.在501 ℃下，以Li为阳极，在12 mA g ~（-1）（0. 05 C-倍率）的电流密度下进行10次循环，容量保持率为93%，循环稳定性良好。通过透射模式的同步加速器X射线衍射进行的进一步先进表征明显有助于更好地了解在中等温度下运行的固态电池电极的（脱）锂过程。
2020-06-03 cond-mat.mtrl-sci
Highly Heterogeneous Polarization and Solvation of Gold Nanoparticles in Aqueous Electrolytes
金纳米粒子（NPs）在应用中的性能关键取决于NPs-溶剂界面的结构，在该界面处，静电表面极化是影响水合、离子吸附和电化学反应的关键特征之一。在这里，我们展示了显式金属极化率对裸金纳米粒子在各种阴离子钠盐的电解质水溶液中的溶剂化和静电性质的显着影响（Cl $^-$、BF $_4$ $^-$、PF $_6$ $^-$、Nip $^-$（硝基酚盐）和3-和4-价六氰基铁酸盐（HCF）），使用经典的分子动力学模拟与金原子的可极化核壳模型。我们发现相当大的空间异质性的极化和静电电位的NP表面上，介导的界面水分子的高度小面依赖的结构。此外，离子特定的，面依赖的离子吸附导致大的改变的界面极化。与不可极化的NP相比，极化性仅轻微地改变水的局部偶极子密度，但对静电表面电势具有实质性影响，并导致NP表面上的离子的显著横向再分布。此外，对单个一价离子的界面极化效应在远场被抵消，有效的德拜-休克尔表面势基本上不受影响，正如连续统“像电荷”概念所预期的那样。因此，金属NP的明确电荷响应对于界面静电的准确描述和解释是至关重要的（例如，用于催化和电化学中的电荷转移和界面极化）。
2021-04-13 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Modeling lithium-ion solid-state electrolytes with a pinball model
介绍了一个简单有效的模型来描述锂在固态离子导体中扩散的势能面。首先，我们假设Li原子是完全电离的，我们忽略了Li离子的瞬时位置对电子价电荷密度的弱依赖性。其次，我们将主晶格的原子冻结在它们的平衡位置;因此，价电荷密度也被冻结。因此，我们得到了一个计算设置（“弹球模型”），非常便宜的分子动力学模拟可以进行。为了评估该模型的准确性，我们将其与自由或冻结的宿主晶格进行的完整的第一性原理分子动力学模拟进行对比;在后一种情况下，电荷密度仍然自我调整，以符合扩散锂离子的实际位置。我们表明，弹球模型是能够准确地再现扩散锂离子的静态和动态特性-包括力，功率谱和扩散系数-相比，自洽冻结主机晶格模拟。冻结晶格近似本身通常足够精确，在大多数材料中肯定是一个很好的替代品。这些观测结果揭示了模拟固态锂扩散的有效方法，并为电荷密度重排或晶格振动在影响锂扩散中的各自作用提供了额外的物理见解。
2018-05-25 cond-mat.mtrl-sci
Lithium ion intercalation in thin crystals of hexagonal TaSe2 gated by a polymer electrolyte
离子液体门控已被用来修改层状过渡金属二硫属化物（TMDC）的性能，包括二维（2D）晶体的TMDC最近广泛使用的设备工作，这导致了大量的性能观察未见。其主要效应来自于界面处强电场引起的静电门控。此外，当栅电解质的离子尺寸与TMDC的层间距相比小时，离子液体门控也导致离子嵌入。然而，在层状TMDCs中，离子嵌入的微观过程很少被探索。在这里，我们采用了一种技术相结合的光刻设备制造和电输运测量上的六方TaSe 2的薄晶体使用多通道器件门控的聚合物电解质LiClO 4/PEO。这些薄晶体的栅极电压和时间依赖性的源漏电阻被用来获得信息的嵌入过程中，离子嵌入的效果，以及允许的间隙位置和设备特性的离子占用之间的相关性。我们发现了一个栅极电压控制调制的电荷密度波和载流子的散射率。我们的工作表明，离子嵌入可以是一个有用的工具，层状材料工程和二维晶体器件设计。
2018-10-25 cond-mat.mtrl-sci
Lithium-Metal Batteries Using Sustainable Electrolyte Media and Various Cathode Chemistries
本文从安全使用高能碱金属阳极的角度评估了采用浓缩的甘醇二甲醚基电解质和不同阴极化学物质的锂金属电池。实际上，将溶解浓度接近溶剂饱和极限的双（三氟甲磺酰基）酰亚胺锂（LiTFSI）和硝酸锂（LiNO 3）的二甘醇二甲醚（DEGDME）和三甘醇二甲醚（TREGDME）用于采用转化硫-锡复合物（S：Sn 80：20 w/w）或Li+（脱）插入LiFePO 4阴极的锂电池中。循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）清楚地显示了浓缩电解质在过程可逆性和低相间电阻方面的适用性，特别是在有利的活化后。在锂-硫（Li/S）电池中进行的恒电流测量显示出在室温（25 °C）下有希望的容量，并且在35 °C下基于DEGDME的电解质的值高达1300 mAh gS-1。另一方面，锂-LiFePO 4（Li/LFP）电池表现出令人满意的循环行为，特别是当在低电压截止（即，1.2 V）在第一次放电过程中固化固体电解质中间相（SEI）。该程序允许库仑效率接近100%，容量接近160 mAh g-1和相关的保留，特别是对于使用基于TREGDME的电解质的电池。因此，这项工作建议使用浓缩的甘醇二甲醚基电解质，微调操作条件，并仔细选择活性材料化学作为实现实用和安全的锂金属电池的重要步骤。
2021-07-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Unveiling the Stable Nature of the Solid Electrolyte Interphase between Lithium Metal and LiPON via Cryogenic Electron Microscopy
固体电解质界面（SEI）被认为是使用液体和固体电解质的二次电池中最复杂但最不了解的成分。最近报道了SEI的纳米结构对于SEI用于稳定液体电解质中的Li金属的化学同样重要。然而，在全固态电池（ASSB）中缺乏这种知识阻碍了对某些固态电解质（例如LiPON）如何表现出对Li金属的示例性稳定性的完全理解。表征这样的固体-固体界面是困难的，由于内的成分的掩埋，高反应性和束敏感的性质。通过采用低温电子显微镜（cryo-EM），锂金属和LiPON之间的界面被成功地保存和探测，揭示了一个多层镶嵌SEI结构与氮和磷的浓度梯度，在一个无定形基质中的微晶物质化。这种独特的SEI纳米结构小于80 nm，并且显示稳定且不含任何有机含锂物质或氟化锂组分，这与通常在现有技术的有机液体电解质中发现的SEI形成对比。我们的研究结果揭示了对这种SEI的纳米结构和化学性质的见解，作为锂金属电池中稳定锂金属阳极的关键组分。
2020-11-18 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Quantifying Capacity Loss due to Solid-Electrolyte-Interphase Layer Formation on Silicon Negative Electrodes in Lithium-ion Batteries
由于在初始锂化过程中形成固体电解质界面（SEI）层，硅电极的每单位表面积的电荷损失被量化，并且构成该层的物质被鉴定。使用Si薄膜电极制成的纽扣电池经受恒电流和恒电位锂化和脱锂循环的组合，以准确测量SEI层形成所损失的容量。虽然非晶薄膜的平面几何形状允许精确计算表面积，但通过使Si膜的厚度最小化来防止由破裂产生额外的表面。用X射线光电子能谱学分析循环的电极以表征SEI层的组成。发现从硬币电池实验测量的由于SEI形成引起的电荷损失与具有平面几何形状的Si（100）晶体的初始锂化期间的第一循环容量损失良好一致。在这项工作中提出的方法，预计将提供一个有用的实用工具，电池材料开发商在估计预期的容量损失，由于第一次循环SEI层的形成，并在选择一个适当的粒度分布，平衡机械完整性和第一次循环容量损失的大体积膨胀电极的锂离子电池。
2012-05-24 cond-mat.mtrl-sci
Towards First Principles prediction of Voltage Dependences of Electrolyte/Electrolyte Interfacial Processes in Lithium Ion Batteries
在锂离子电池中，Li+嵌入和与电极的钝化相关联的过程由所施加的电压控制，所施加的电压又与固相和液相之间的Li+转移的自由能变化（Δ G_t）相关联。利用从头算分子动力学（AIMD）和热力学积分技术，计算了Li+从LiC（6）阳极板（暴露于原始基面）到限制在纳米间隙中的液体碳酸乙烯酯的虚拟转移Δ G_t。在带负电荷的LiC（6）阳极上，在Δ G_t=0时开始脱锂。这些负表面电荷显然是将Li+保留在电极内所需的，并且应该影响钝化（“SEI”）膜形成过程。在更大的电子表面密度下观察到快速电解质分解。通过将实验已知的电压（0.1V相对于Li+/Li金属）分配给预测的脱锂起始，获得绝对电势标度。这使得AIMD研究中使用的模拟单元中的电压校准成为可能，并为未来预测电池界面过程中的电压依赖性铺平了道路。
2013-12-10 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Ab initio Molecular Dynamics Simulations of the Initial Stages of Solid-electrolyte Interphase Formation on Lithium Ion Battery Graphitic Anodes
碳酸亚乙酯（EC）在溶剂-石墨阳极界面处的固体电解质界面（SEI）膜初始生长期间的分解对锂离子电池的操作至关重要。采用从头算分子动力学模拟研究了EC/石墨界面的电化学反应。我们表明，碳边缘终端是至关重要的，在这个阶段，可实现的实验条件下，可以导致令人惊讶的快速EC击穿机制，产生的分解产物在实验中看到，但以前没有预测。
2010-09-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Glyme-based electrolytes: suitable solutions for next-generation lithium batteries
电池中的绿色概念涉及电极和电解质的化学性质以及电池的经济可持续性。尽管这些方面通常是单独讨论的，但它们是紧密相连的：事实上，新的电解质可以允许使用具有更高能量、更低成本或更显著环境相容性的不同阴极。我们专注于通过将LiX盐溶解在甘醇二甲醚溶剂中形成的用于锂电池的电解质溶液的替代类别，即，分子式为CH 3 O [CH 2 CH 2 O] nCH 3的有机醚，其链长不同。这些电解质的优点说明在易燃性，稳定性，毒性，环境相容性，电池性能和经济影响。一个特别的光是这些系统的稳定性，特别是在聚合物状态，并在各种环境中，包括氧气，硫和高能锂金属。讨论了甘醇二甲醚溶液的化学物理特征、特征结构、有利性质和电化学行为的最相关研究，并描述了电池设计和电池性能方面的最新技术成果。详细描述了甘醇二甲醚基电解质在通过将锂-金属阳极与常规插入阴极耦合而布置的高能电池中以及在利用Li-S和Li-O2转化过程的替代电池和新电池中的使用。这些段落揭示了相对于市售电解质，特别是考虑到未来和替代应用，通过使用基于甘醇二甲醚的电解质可以实现的益处，包括安全性、低成本和可持续性。特别相关的是具有长链的甘醇二甲醚，其显示出显著的稳定性、高安全性和非常低的毒性。
2022-02-09 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
