Adding salt to expand voltage window of humid ionic liquids
广泛用作电解质的湿疏水性离子液体由于其吸附在电极表面的水参与电解而使电化学窗口变窄。在这项工作中，我们进行了分子动力学模拟，探讨在潮湿的离子液体中添加锂盐对电极表面吸附的水的影响。结果表明，盐的加入使大部分水分子被推离阴极和阳极。残留在电极上的水几乎与Li+结合，其具有显著降低的活性。Li+键合和表面吸附水的重排都有助于抑制水电解，从而防止潮湿疏水离子液体电化学窗口的降低。这一发现证明了循环伏安法测量盐在潮湿的离子液体表现出增强的电化学窗口。我们的工作提供了潜在的机制和一个简单而实用的方法来保护潮湿的离子液体的性能下降。
2020-02-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Structural Transitions at Ionic Liquids Interfaces
最近的进展，在实验和计算技术允许一个准确的描述离子液体在金属电极上的吸附。现在已经确定，它们采用多层结构，并且层的组成随着电极的电势而变化。在某些情况下，在第一吸附层中的电位驱动的有序转变已被观察到在实验中探测的界面上的分子尺度或分子模拟。这种观点给出了一个概述，目前的理解，这种过渡和它们的潜在影响的物理和（电）化学过程中的接口。特别是，在电化学研究中已经报道了微分电容中的峰、界面处的缓慢动力学和反应性的变化。离子液体和金属电极之间的界面也与它们的摩擦性能高度相关，其电压依赖性为令人兴奋的应用开辟了道路。
2016-03-12 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Cooperative Ion Conduction Enabled by Site Percolation in Random Substitutional Crystals
该研究通过分子动力学模拟发现岩盐随机替代晶体Li$_x$Pb$_{1-2x}$Bi$_x$Te的离子电导率在Li浓度超过临界阈值时急剧增加，该阈值与渗流理论预测的位点渗流阈值一致，从而将离子渗流确立为调和电导率与稳定性权衡的通用设计原则。
2025-11-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Parameter Sensitivity Analysis in Zinc-Ion Batteries: A Study on Ionic Conductivity, Current Density, and Electrode Properties
本文构建了锌离子电池的多物理场模型，研究发现低电流密度下离子电导率超过1.3 S/m、交换电流密度超过0.13 mA/cm2后容量不再显著提升，为下一代电池研发提供了性能阈值参考。
2025-05-03 cond-mat.mtrl-sci cs.SY eess.SY
A literature-derived dataset of migration barriers for quantifying ionic transport in battery materials
本研究提出了一组基于文献的迁移障碍数据集，用于通过机器学习预测电池材料中的离子传输性能。
2025-08-08 cond-mat.mtrl-sci
Accounting for the Quantum Capacitance of Graphite in Constant Potential Molecular Dynamics Simulations
本研究提出一种基于量子化学态密度计算的电极金属性参数化方法，解决了恒电势分子动力学模拟无法准确表征石墨等材料电子结构的问题，复现了实验电容特性，可推广至多种电极材料以支撑复杂电化学器件模拟。
2024-04-11 cond-mat.mtrl-sci
Electrically driven first-order phase transition of a 2D ionic crystal at the electrode/electrolyte interface
本文研究熔盐—金属界面吸附层的电致结晶，揭示预有序与突发单晶化两阶段机制，并通过有限尺寸分析确认后者为一级相变。
2025-07-25 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Exploration of Zeolites as High-Performance Electrode Protective Layers for Alkali-Metal Batteries
本研究提出将沸石用作碱金属电池界面保护层，设计通用方法探索其离子扩散动力学，通过第一性原理计算筛选出扩散势垒低于0.3 eV的适用于锂、钠、钾金属电池的沸石，为高性能电池保护层提供新方向。
2025-02-13 cond-mat.mtrl-sci
Confinement Effects on an Electron Transfer Reaction in Nanoporous Carbon Electrodes
离子液体的纳米禁闭效应通常会对离子液体的物理和化学性质产生显著的影响。在这里，我们研究如何在这样的介质中的电化学反应性可能会影响内纳米多孔碳电极。为此，我们使用分子动力学模拟研究了一个简单的电子转移反应。通过允许碳原子上的原子电荷波动，电极保持恒定的电势。我们发现，溶解在离子液体中的$\mathrm{Fe^{3+}}/\mathrm{Fe^{2+}}$对表现出相对于马库斯理论的偏差。该行为通过无序纳米多孔电极中Fe $^{3+}$阳离子的溶剂化状态的稳定化而合理化，该溶剂化状态在本体中未观察到。模拟结果与最近提出的两个溶剂化状态模型，这使我们能够估计这样的偏差的影响，纳米多孔电极内的电子转移动力学。
2017-06-28 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Morphology-Dependent Influences on the Performance of Battery Cells with a Hierarchically Structured Positive Electrode
本文通过电池单体模型揭示了分层结构正极的形貌决定其性能限制性电化学过程，为高功率电池电极的目标导向设计提供了依据。
2023-07-06 cond-mat.mtrl-sci
Ion-ion correlations across and between electrified graphene layers
当离子液体吸附到多孔电极上时，由于金属表面对库仑相互作用的屏蔽以及电极形态对其施加的限制，其离子排列被深度修改。特别是，相同电荷的离子可以紧密接触，导致超离子态的形成。置于两个液相之间的带电表面的影响还不太清楚。在这里，我们模拟了由1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和纳米多孔石墨烯电极制成的全超级电容器，石墨烯片之间的距离不同。通过允许碳电荷波动，电极保持在恒定电位。在强约束条件下，我们表明，相同电荷的离子往往吸附在前面的整个石墨烯平面。这些相关性是通过在离子之间的碳原子上形成高度局部化的图像电荷来实现的。当液体在石墨烯片之间采用双层结构时，它们在较大的孔中被抑制。这些效应在性质上类似于最近的模板效应，该模板效应在石墨烯衬底上纳米晶体的生长期间已被报道。
2018-01-02 cond-mat.mtrl-sci
Graphene-ionic liquid interfacial potential drop from DFT-MD simulations
离子液体具有良好的稳定性和高电荷密度，是一种很有前途的电化学电解质。分子动力学模拟对于更好地理解电极-IL界面处发生的复杂现象是必不可少的。本文采用基于密度泛函理论的分子动力学模拟，研究了石墨烯与1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐IL之间的界面。我们将双电层电位降分解为两个主要部分：一个是原子电荷，另一个是偶极子。后一个分量是由于表面的电子极化而产生的，并且与文献中激烈争论的概念有关，例如E-Fermi屏蔽长度，有效表面电荷平面和量子电容。
2020-03-26 cond-mat.mtrl-sci
Eco-Friendly Supercapacitor Architecture Based on Cotton Textile Waste and Biopolymer-Based Electrodes
Universidad de Lima（利马大学）；National University of Engineering（国立工程学院）
本研究利用棉纺织废料和生物聚合物开发环保超级电容器，通过改性水凝胶和壳聚糖基电极实现高导电性和可持续储能。
2026-02-13 cond-mat.mtrl-sci
Constant Potential and Constrained Charge Ensembles for Simulations of Conductive Electrodes
本文将恒定电势法分子动力学扩展到固定电极总电荷的约束电荷系综，证明其与固定电势差系综互为共轭系综，并通过离子液体超级电容器模拟验证了该框架的有效性及加速平衡的优势。
2023-02-24 cond-mat.mtrl-sci
Fully Periodic, Computationally Efficient Constant Potential Molecular Dynamics Simulations of Ionic Liquid Supercapacitors
复杂电化学系统（例如离子液体超级电容器）的分子动力学（MD）模拟越来越多地包括恒电位方法（CPM）以在指定的电势差下对导电电极进行建模，但是包括CPM在计算上可能是昂贵的。我们证明了CPM MD模拟离子液体超级电容器的计算节省时，通常的非周期性板的几何形状被替换为完全周期性的边界条件。我们展示了如何一个双细胞的方法，以前使用的非CPM MD模拟带电接口，可以用来使完全定期CPM MD模拟。使用一个双细胞的方法，或有限场的方法以前报道的其他人，完全周期性CPM MD模拟产生可比的结果，传统的板几何形状模拟与近一倍的加速计算时间。事实上，这些节省可以抵消CPM算法的额外成本，从而导致周期性CPM MD模拟比本文研究的离子液体超级电容器的非周期性固定电荷等效模拟更快。
2022-01-31 cond-mat.mtrl-sci
Structure-dynamic approach in nanoionics. Modeling of ion transport on blocking electrode
这项工作发展了纳米离子学的结构动力学方法，用于详细描述不规则电位释放中的非稳态离子传输过程（正问题）和解释纳米系统的离子性质和特征（反问题）。介绍了结构动力学方法的理论基础，包括界面空间电荷区的结构模型、隐变量法和外界影响小的判据。该方法适用于理想的极化（阻塞）固体电解质/电子导体（SE/EC）异质结在交流和恒电流模式的外部影响的区域中的离子输运的计算建模。
2013-11-14 cond-mat.mtrl-sci
Ionic Diffusion and Electronic Transport in Eldfellite Na$_x$Fe(SO$_4$)$_2$
发现钠离子电池的新电极需要清楚地了解电池运行过程中的材料过程。使用第一性原理计算，我们确定了新开发的阴极材料，eldfellite Na $_x$ Fe（SO $_4$）$_2$的离子扩散和电子转移的机制，再现的电化学性能与实验吻合良好。插入的钠原子被建议沿二维路径扩散的主机钠原子的前运动，和活化能计算是合理的快速插入。我们计算的电子性质，显示带绝缘在低组成的插入钠，电子极化子的形成和希望也建议。我们的研究结果可能有助于开辟一条新的途径，开发创新的正极材料基于铁和硫酸根离子。
2017-09-19 cond-mat.mtrl-sci
First-principles studies of the effects of impurities on the ionic and electronic conduction in LiFePO$_{4}$
橄榄石型LiFePO $_{4}$被广泛认为是锂离子电池电极的候选材料，但由于离子和电子传导性差，其在原始状态下的适用性受到限制。掺杂可用于增强材料的导电性。然而，这应理解为掺入电活性杂质以操纵分别负责离子和电子传导的原生点缺陷（例如锂空位和小孔极化子）的浓度，并且{ \it not}产生带状载流子。基于第一性原理密度泛函理论计算结果，分析了一价（Na、K、Cu和Ag）、二价（Mg和Zn）、三价（Al）、四价（Zr、C和Si）和五价（V和Nb）杂质对LiFePO $_{4}$离子电导率和电子电导率的可能影响.我们确定的杂质是有效的（或无效的），在提高锂空位或小孔极化子的浓度。基于我们的研究，我们讨论了提高LiFePO $_{4}$电导率的具体策略，并为进一步的实验研究提供了建议。
2012-01-19 cond-mat.mtrl-sci
Impact of the Energy Landscape on the Ionic Transport of Disordered Rocksalt Cathodes
传统的方法来确定离子传输途径往往假设等概率占据所有的跳跃网站，并完全集中在寻找它们之间的最低迁移障碍通道。虽然这种策略已成功应用于固态锂电池材料，历史上大多是有序的框架，但在新兴的无序电极材料中，由于过渡金属（TM）环境的不同分布，一些锂位点可能比其他锂位点更稳定。使用动力学蒙特卡罗模拟，我们表明，在这种阳离子无序化合物中，只有一小部分由所谓的低垒“0-TM”通道连接的Li位点实际上参与了Li扩散。通过这些位点的Li扩散行为（其主要由在Li提取期间施加的电压确定）可以使用大于0-TM屏障本身的有效迁移屏障来捕获。在室温下，由于阳离子无序而抑制的渗流可使离子扩散系数降低2个数量级以上。
2023-01-25 cond-mat.mtrl-sci
Anisometric Charge Dependent Swelling of Porous Carbon in an Ionic Liquid
首次采用原位电化学膨胀法研究了多孔碳电极在纯离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的膨胀行为。对于单个电极，相对于零电荷电势的-2V和+2V的施加电势分别导致1.8%和0.5%的最大应变。在循环伏安法期间，特征膨胀行为强烈地取决于扫描速率，增加的扫描速率导致膨胀的降低。计时电流法用于测定平衡比电容和膨胀。得到的应变与累积电荷的关系可以用一个简单的二次函数拟合。当用离子体积和平均孔径的比率对表面电荷进行归一化时，阴极和阳极膨胀数据在一条抛物线上崩溃。当极性从正切换到负时，在高度变化中也存在瞬时尖峰，这在将电势从负改变到正时没有观察到，指示离子的大小和形状影响膨胀行为。
2013-06-09 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Anomalously large capacitance of an ionic liquid described by the restricted primitive model
我们使用蒙特卡罗模拟检查最简单的模型的离子液体，被称为限制原始模型，在金属表面。我们发现，在适度的低温下的金属/离子液体界面的电容是如此之大，静电双层的有效厚度是3倍小于离子半径。为了解释这些结果，我们提出了一种方法，它是基于离散离子和它们的图像电荷在金属表面之间的相互作用，因此超越了平均场近似。当在界面上施加电压时，强的图像吸引力使抗衡离子凝聚在金属表面上，形成紧凑的离子图像偶极子。这些偶极子相互排斥，形成相关液体。当这些偶极子的表面密度低时，插入额外的偶极子不需要太多能量。这导致随着电压$V$单调减小的大电容$C$，产生“钟形”曲线$C(V)$。我们还考虑了当电极由半金属而不是完美金属制成时会发生什么。在这种情况下，电极的有限屏蔽半径将镜像电荷的反射平面移动到电极内部，我们得到“骆驼形”$C(V)$。这些预测似乎与实验定性一致。
2010-06-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.chem-ph
Double layer in ionic liquids: capacitance vs. temperature from atomistic simulations
本研究结合分子动力学模拟与密度泛函理论计算，探究石墨烯-EMImBF₄离子液体界面中温度和电势对微分电容的影响，揭示了结构与电容的关联、温度效应及量子电容修正的作用，为相关电化学器件应用提供依据。
2022-01-27 cond-mat.mtrl-sci
Potential jumps at transport bottlenecks cause instability of nominally ionic solid electrolytes in electrochemical cells
电化学装置如固体氧化物燃料电池（SOFC）、固体氧化物电解槽电池（SOEC）和锂离子电池（LIB）的正常操作有时会由于意外形成内相而失败。这些相包括SOEC的氧化锆电解质内的晶界处的氧气泡、全固态LIB的（石榴石型）Li 7 La 3 Zr 2 O 12电解质内的孤立的Li金属岛以及Na-S电池的Na-β-氧化铝和NASICON电解质内的类似Na金属岛。值得注意的是，虽然这些设备可以在两种极性下工作，但故障的倾向取决于极性。在这里，我们解释这些和其他现象在名义上的离子固体电解质和混合导电电极在简单的热力学和动力学方面：意想不到的内部相是由一个大的潜在的跳跃，需要推动一个恒定的离子或电子流通过其内部传输瓶颈。内相形成的明确规则，包括其极性依赖性制定，以帮助预测和减轻它，这将导致微观结构不稳定，效率恶化和击穿。
2020-05-10 cond-mat.mtrl-sci
Understanding the electronic and ionic conduction and lithium over-stoichiometry in LiMn$_2$O$_4$ spinel
采用密度泛函理论和Heyd-Scuseria-Ernzerhof屏蔽杂化泛函，对尖晶石型锂锰氧化物LiMn $_2$ O $_4$中的缺陷热力学和输运进行了第一性原理研究.我们发现，本征点缺陷的LiMn $_2$ O $_4$具有低的形成能，因此可以发生与高浓度。电子传导通过小极化子的跳跃进行，并且离子传导通过锂空位和/或非线性迁移机制发生。总电导率主要由电子贡献决定。发现LiMn $_2$ O $_4$倾向于锂过化学计量，即，锰位锂过量，以及Mn $^{3+}$ /Mn $^{4+}$无序。在LiMn $_2$ O $_4$样品中也可能出现其他缺陷，例如锰反位和空位以及锂杂质。根据我们的研究结果，我们讨论了可能的影响的电化学性能的缺陷，并提供解释的实验观察和缺陷控制的合成和缺陷表征的指导方针。
2014-12-17 cond-mat.mtrl-sci
Unravelling the role of vacancies in lead halide perovskite through electrical switching of photoluminescence
钙钛矿型三碘化铅（MAPbI 3）半导体材料具有优异的光伏和发光性能。我们解决了独特的行为，其中偏置电压可以用来打开和关闭横向对称电极的平面薄膜的发光。而不是一个均匀的抑制发射，如在其他有机半导体薄膜中，在MAPbI 3膜的暗区从正电极在1 μ m s-1的顺序缓慢的速度前进。在这里，我们解释了存在的尖锐的前在漂移的离子空位，大大降低了在膜中的辐射复合率。基于动态输运模型，我们表明，电流的平方倒数与时间成线性关系，与实验观察一致。这一见解导致碘空位D = 6 10-9 cm 2 s-1的扩散系数的直接测定，并提供了详细的信息和控制离子传导的混合钙钛矿材料的电光性能的影响。
2018-04-20 cond-mat.mtrl-sci
Constant Chemical Potential-Quantum Mechanical-Molecular Dynamics simulations of the Graphene-electrolyte double layer
本文提出将恒电势分子动力学（CμMD）与量子力学分子动力学（QMMD）耦合为CμQMMD模型，用于模拟带电石墨烯电极与不同浓度电解质溶液的双电层，揭示了离子吸附与团簇等微观机制及其对电荷存储和脱盐的意义。
2022-12-09 cond-mat.mtrl-sci
Enhanced ionic conductivity through crystallization of glass-Li$_3$PS$_4$ by machine learning molecular dynamics simulations
该研究利用基于第一性原理的机器学习原子间势开展分子动力学模拟，揭示玻璃态Li$_3$PS$_4$结晶后离子电导率提升源于结晶度升高降低Li扩散势垒，且渗流传导起关键作用，为玻璃陶瓷电解质应用提供参考。
2023-12-12 cond-mat.mtrl-sci
Evidence for percolation diffusion of cations and material recovery in disordered pyrochlore from accelerated molecular dynamics simulations
我们使用经典和加速分子动力学模拟来表征空位介导的扩散的阳离子在Gd $_2$ Ti $_2$ O $_7$烧绿石作为一个功能的微秒时间尺度上的无序。我们发现，在低水平的无序材料中，阳离子空位扩散是缓慢的。然而，更高水平的无序允许快速的阳离子扩散，然后还伴随着快速的反位湮灭和阳离子的有序化。因此，阳离子扩散率不是恒定的，而是随着材料重新排序而降低。结果表明，快速阳离子扩散是由反位的渗流网络的存在触发的。这与氧扩散形成鲜明对比，氧扩散显示出随着同一化合物中无序度的增加，离子扩散率平稳增加。无序的阳离子扩散系数的增加也与其他复杂氧化物和无序介质模型的观察相反，这表明无序和质量传输之间存在根本不同的关系。这些结果突出了快速阳离子扩散和无序恢复之间的动态相互作用，并具有重要的意义，了解辐射损伤的演变，烧结和老化，以及扩散的无序氧化物更普遍。
2016-07-24 cond-mat.mtrl-sci
Correcting the polarization effect in low frequency Dielectric Spectroscopy
我们展示了一个简单而强大的方法来测量和分析电极和离子溶液之间的界面处出现的极化阻抗，在频率范围从1到$10^6$ Hz。该方法没有假设电极极化阻抗的特殊行为，它只利用极化效应随频率而消失的事实。该方法允许直接和无偏置的测量的极化阻抗，其行为与所施加的电压和离子浓度进行了系统的研究。此外，基于以前的研究结果，我们提出了一个协议，用于校正的极化效应在低频介电谱测量的胶体。这可能导致悬浮液中活细胞的$α$分散状态的定量解析。
2008-12-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Ionic Peltier Effect in Li-Ion Electrolytes
本文提出高分辨率交流差分电阻电桥测量纽扣电池温差，系统研究锂离子电解质的离子珀尔帖系数及其影响因素，揭示界面熵变主导机制。
2023-12-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Solid-state ionic rectification in perovskite nanowire heterostructures
卤化物钙钛矿材料因其出色的光电应用而引起越来越多的研究关注。由于其低活化能，离子迁移与卤化物钙钛矿器件的长期稳定性和许多不寻常的输运行为有关。然而，卤化物钙钛矿晶体中离子传输的精确控制仍然具有挑战性。在这里，我们可视化和量化的电场诱导的卤素离子迁移的轴向CsPbBr $_3$ -CsPbCl $_3$纳米线异质结构，并证明了固态离子整流，这是由于在纳米线中的离子空位的非均匀分布，从电屏蔽和它们的创建和破坏之间的竞争在电极界面的结果。非对称异质结构特性在以卤化物钙钛矿作为构建块的先进离子电路的设计中为离子运动操纵添加了额外的旋钮。
2020-07-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Topo-Spectral Percolation Descriptors for Mechanistic Ion Transport Pathways from Static Crystal Structures
Technical University of Denmark（丹麦技术大学）
提出无校准的拓扑-谱渗流描述符（TSPD），从静态晶体结构快速确定离子传输机制，经八种材料验证，能正确识别路径受限传输。
2026-10-02 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Enhanced Thermal Transport across the Interface between Charged Graphene Electrodes and Poly(ethylene oxide) Electrolytes by Non-covalent Functionalization
电极和聚合物电解质之间的界面热传递在固态锂离子电池（SLIB）的热管理中起着至关重要的作用。用功能分子修饰电极表面可以有效地增加电极和聚合物（例如，电解质、隔膜）;然而，它们如何影响充电/放电期间SLIB中的界面热传递仍然未知。在这项工作中，我们进行分子动力学（MD）模拟研究之间的ITC充电电极和固态聚合物电解质（SPE）与离子液体（IL）混合。我们发现，离子液体可以自组装在电极表面，并作为非共价功能分子，可以显着提高充电/放电过程中的界面热传输，因为在界面处形成一个密集的阳离子或阴离子层。虽然带电电极和离子液体离子之间的静电相互作用是形成这些致密界面层的原因，但ITC的增强主要是由带电电极和离子液体之间增加的Lennard-Jones（LJ）相互作用贡献的。这项工作可能会提供有益的见解，了解在充电/放电过程中的SLIBs的电极和电解质之间的界面热传输。
2021-07-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Interfacial Thermal Transport and Electrical Performance of Supercapacitors with Graphene/Carbon Nanotube Composite Electrodes
本研究采用恒电势和恒电荷分子动力学模拟，分析了石墨烯/碳纳米管复合电极的界面热传输与电学性能，发现水平堆叠的多层 CNT 排列为最优电极结构，为高效超级电容器设计提供了指导。
2023-11-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Ionic Transport in Potential Coating Materials for Mg Batteries
镁电池发展的一个主要瓶颈是同时与镁金属阳极和高压阴极相容的液体电解质的鉴定。拓宽当前非水电解质的稳定性窗口的一种策略是在电极处引入保护性涂层材料，其中涂层材料需要表现出快速的Mg传输。在这项工作中，我们使用的组合第一性原理计算和离子传输理论，以评估迁移障碍近27含镁的二元，三元和四元化合物跨越广泛的化学空间。结合迁移率、电子带隙和稳定性要求，我们确定MgSiN $_2$、MgI $_2$、MgBr $_2$、MgSe和MgS作为对抗高度还原性Mg金属阳极的潜在涂层材料，并且我们发现MgAl $_2$ O $_4$和Mg（PO $_3$）$_2$是对抗高压氧化物阴极（高达$\sim$ 3~V）的有前景的材料。
2019-07-07 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
