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本期向大家推介的是18新利体育 功能纳米与软物质研究院程涛教授团队的项目：《预测固体电解质界面的原子模拟软件》
程涛教授，18新利体育 功能纳米与软物质研究院 教授 博士生导师
主要研究方向：近五年来，主要从事理论化学与能源催化交叉领域的理论研究。开发理论模拟计算方法并将其应用于能源相关的重要电化学反应其中包括反应机理研究、材料性质预测和先进功能材料的设计。例如，应用第一性原理显式溶剂模拟，研究固液界面结构和化学反应；应用统计热力学方法计算电化学反应的自由能位垒；利用多尺度模拟方法，对一系列重要的电化学反应机理进行了研究，其中包括二氧化碳电还原、氧气电还原和氢气电还原等。
《预测固体电解质界面的原子模拟软件》
应用产业领域：能源环保、计算机软件
技术成熟度：小批量生产
专利情况：已获软件著作权
成果简介：
随着智能手机、笔记本电脑等消费电子产品的快速发展，锂离子电池（Lithium Ion Battery, 简写为LIB）已经成为最成功的电化学储能设备之一，并从根本上影响并改变了人们的日常生活方式。随着制造工艺的逐步成熟，LIB的能量密度已经接近其理论极限。另一方面，可移动电子设备的快速普及和汽车电动化的蓬勃发展也不断要求开发具有更高能量密度的充电电池以满足实际使用的需求，而最先进的LIB依然无法完全满足上述需求。因此，寻找更高能量比的锂电池电极材料，加快下一代新型锂电池关键技术的相关研究，已成为制约锂电池技术产业发展进步的关键问题。
锂金属电池的能量密度虽足以达到下一代电动车的要求，但其自身的稳定性仍令人担忧，这主要是因为Li金属的反应活性过高，其几乎可与所有的电解液均能自发地发生化学反应。在电池的运行过程中，Li电极和电解液之间通过自发化学反应和电化学反应导致了固体电解质界面（solid electrolyte interphase，SEI）的形成。当所形成的SEI结构不均匀时会诱发电池体积膨胀，此外，充放电过程中锂的不均匀沉积会导致锂枝晶的形成，锂枝晶的不规则生长会刺穿SEI，导致SEI膜发生破裂，并产生死锂，降低锂金属电池库伦效率；更严重的是，锂枝晶的不断生长会刺穿隔膜，造成电池内部的短路，导致火灾和爆炸等安全事故，大大缩短了电池的使用寿命，严重阻碍了其大规模商业化发展。因此，SEI对LMB的性能具有至关重要的影响。良好且稳定的SEI可以阻止（或者大幅度减缓）负极界面上反应的持续发生，起到保护Li电极的作用。
针对下一代高稳定性锂金属电池设计中存在的关键问题，结合国际研究进展与本团队前期研究基础，我们提出了基于多尺度理论模拟结合深度机器学习的一整套解决方案，即利用先进多尺度模拟方法精准解析SEI原子结构，建立新一代SEI模型，阐明SEI结构和形成机制，完整构建SEI与电池性能之间的内在联系，定向设计符合不同商用条件的新型电解液配方，为开发新一代高能量密度电池提供可能。本方案已形成完整的工作流，相关自动化软件已开发完成并交付使用，且具有完全的自主知识产权，可用于国内外上游电池生产研发企业积累原始电池性能数据，大范围筛选有效电解液组分，指导下一代高能量密度锂电池研制。
创新要点：
为实现高稳定LMB设计目标，我们开发了一套完整的“解析-预测”电解液组分的技术方案，旨在以锂金属负极以及不同的电解液和锂盐添加剂为主要对象，对其SEI形成过程中的化学反应和电化学反应进行深入研究。具体来说，我们可以实现从接近实验组成和反应条件开始，解析SEI无定形结构的纳米重构，阐明其具体原子结构，建立新一代SEI理论模型。在此基础上，建立一套完整的SEI结构和性能预测框架，为高效筛选高稳定性的电解液组分、设计新型安全的锂金属电池提供可靠的依据（如图1所示）
图1 本团队自主开发的电解液模拟设计软件研究内容示意图。
我们的技术优势与创新主要表现在：
1）首次在电池体系中实现了QM与MM的混合模拟与混合加速。
2）在电池体系模拟中实现了开放电子体系对电化学反应的热力学和动力学预测。
3）在保证精度的前提下，实现了在纳米尺度上对真实的实验SEI结构直接模拟。
4）通过耦合深度机器学习，实现了电解液组分大范围筛选与性能优化。
技术指标：
我们自主设计开发的关于电解液配方设计及性能预测的模拟软件名为ASEI，目前版本号V1.0，主要用于不同电解液组分/配方SEI的形成过程模拟，针对不同需求的电解液配方的大范围快速筛选以及相应电解液的性能评价等。该产品能在无需大量实验数据的前提下，在较短时间内（14-30天）获得电解液的有效组成与真实性能，自动化程度高，稳定性好。
