揭示電解液與界面奧秘，理論計算賦能水系電池創新

隨著全球對高安全、低成本儲能需求的激增，水系電池成為了下一代電池技術的重要候選者。然而，其性能瓶頸，如循環壽命、能量密度等，深深根植于復雜的電解液化學和電極-電解液界面行為之中。為了從微觀尺度破解這些難題，測試狗科研服務精心打造了一套基于水系電池的理論計算解決方案，綜合運用密度泛函理論（DFT）?和分子動力學（MD）?模擬，為水系電池的研發提供從原子到介觀尺度的深刻洞察與精準預測。

1. 電解液穩定性與SEI形成分析

研究內容：通過量子化學計算（DFT）電解液分子或添加劑分子的軌道能級（HOMO與LUMO），精確估算其電化學穩定窗口，預測其作為SEI/CEI成膜添加劑的能力。此項分析可有效評估副反應風險與電池安全性，并揭示界面電子轉移的微觀機理。

2.?陰離子極性分析

研究內容：通過計算陰離子表面的靜電勢（ESP）分布，量化其極性大小（Anion Polarity Index, API）。該指標直接關聯陰離子與水分子的結合能，為篩選和優化電解液鹽類、理解離子溶劑化結構提供了關鍵的理論描述符。

陰離子極性計算案例

3.?分子極性指數與配位能模型

研究內容：延伸陰離子極性的概念，通過DFT計算分子的極性指數（MPI），并建立其與金屬離子（如Zn2?）的配位能之間的定量關系。該模型可用于高效篩選能優化溶劑化結構、抑制副反應的功能性添加劑分子。

4.?金屬離子溶劑化結構模擬

研究內容：利用分子動力學（MD）模擬，在原子層面可視化并統計金屬離子（如Zn2?）在水系電解液中的溶劑化鞘層結構，包括配位分子種類、數量、鍵長和鍵角。這是理解離子傳輸和去溶劑化過程的基礎。

5.?氫鍵網絡與分布研究

研究內容：通過MD模擬，統計分析電解液體系中氫鍵的數量、類型、壽命和空間分布。氫鍵網絡的結構直接影響電解液的粘度、離子電導率和離子遷移方式，是調控電解液宏觀性能的關鍵微觀因素。

6.?物質遷移與擴散行為模擬

研究內容：基于MD模擬，計算離子或其他活性物質在電解液中的擴散系數，直觀展示其遷移路徑和動力學行為。該研究直接關聯電池的倍率性能和功率密度。

7. 離子擴散能壘計算

研究內容：采用DFT方法（如NEB）計算離子在電極材料內部或表面遷移的能壘。該能壘是決定離子固相擴散快慢的核心參數，對于評估電極材料的倍率性能至關重要。

離子擴散能壘計算案例

8.?雙電層結構模擬

研究內容：利用MD模擬研究在電場作用下，電極-電解液界面處的雙電層結構，精確分析界面處離子和溶劑的濃度分布、取向及分層情況。這對于理解界面電荷傳輸和反應動力學具有重要意義。

9.?相場模擬

研究內容：采用相場模擬這一介尺度計算方法，研究電極表面枝晶的生長形貌、動力學過程及其與應力場的相互作用。該方法能夠直觀預測枝晶生長，為抑制枝晶、提升電池循環壽命提供設計策略。

測試狗科研服務提供的理論計算項目構成了一個多尺度、多角度的完整研究體系。從單個分子的電子結構（DFT）到百萬原子體系的動態演化（MD），再到枝晶生長的介觀模擬（相場），它們相互關聯、層層遞進，能夠系統地解決水系電池在電解液設計、界面調控、離子傳輸等方面的核心科學問題。