一种表面逐级渐进吸附Li原子的高通量计算方法技术

本发明专利技术公开了一种表面逐级渐进吸附Li原子的高通量计算方法，属于材料表面领域，针对某材料，当真空层足够厚且方向在z轴进行弛豫计算，输出总能量。接着，对新吸附Li原子，每个吸附位点对应一个结构文件，由此构成结构库，批量导入所有结构文件，重复高通量的驰豫计算，输出各结构文件对应的总能量，从中选择最小值对应的结构作为最稳定结构，计算其平衡电压。当平衡电压大于0或吸附位点未达到满吸附，在最低能量结构的基础上继续吸附另一个Li原子，构建吸附结构库并重复驰豫计算；逐级添加直到满足条件，利用所有平衡电压值，绘制理想电压曲线，得到Li吸附中间相的相对形成能，Li吸附阈值以及理论容量等。本发明专利技术对新材料设计提供有利的帮助。提供有利的帮助。提供有利的帮助。

【技术实现步骤摘要】
一种表面逐级渐进吸附Li原子的高通量计算方法


[0001]本专利技术属于材料表面
，具体涉及一种表面逐级渐进吸附Li原子的高通量计算方法。

技术介绍

[0002]在便携式储能技术中，可再充电的锂离子电池由于其高能量、高能量密度以及合理的循环寿命而备受关注，而在其中二维电极材料的短电子(或离子)扩散路径、与电极的接触面积更大等优点，成为了锂离子电池电极材料研究的新热潮。
[0003]在二维电极材料研究中，材料的电化学性能如开路电压、体积电容等，依然是制约电极材料使用的一个关键性难题。现有的开路电压理论研究，大多通过计算确定个数的Li原子负载结构，直接得到一个电子或是满吸附的开路电压，如文献：Tang Q,Zhou Z,Shen P W,Journal of Ametican Chemical Society 134(2012)16909
‑
16916；Ong S P,Chevrier V,Ceder G,et al.Energy&Environmental Science 4(2011)3680
‑
3688.但是，目前算法得到的开路电压稳定性不高，亟需探索出一种获得高稳定性的理想电压曲线的方法。
[0004]基于材料基因组计划的高通量计算的提出，打破了以往实验试错研究的长周期性问题，减少了实验成本，大幅度缩短新材料研发应用周期。高通量计算可应用于材料表面的Li吸附计算当中，筛选得到电极材料的理想电压曲线。

技术实现思路

[0005]针对理论计算中二维电极材料开路电压无法准确计算的问题，本专利技术公开了一种表面逐级渐进吸附Li原子的高通量计算方法，通过逐级吸附原子，获得电极材料稳定的Li吸附结构和Li吸附阈值，达到了准确计算开路电压、理论容量的目的。
[0006]所述的高通量计算方法，具体步骤如下：
[0007]步骤一、针对某二维电极材料X，确定材料的表面类型并导入结构文件；
[0008]判断材料X的表面是否为确定的组成，如果是，将这一确定表面的结构文件导入；否则，X表面的组成复杂，表面原子排布不确定，存在多种表面结构，需并行导入对应的一系列结构文件，进行后续计算处理。
[0009]结构文件内容符合材料计算模拟软件VASP(Vienna Ab
‑
initio Simulation Package)中的结构文件要求，包括：元素种类、各元素原子总数、超胞基矢大小及各原子坐标。
[0010]步骤二、判断材料X的结构文件中的真空层厚度是否达到以上且方向是否在z轴，如果是，进入步骤三，否则，进行结构优化后重新判断；
[0011]结构优化是指：当z轴不是真空层的方向，则调整基矢使真空层在z轴方向；当真空层厚度小于则增大真空层的大小。
[0012]步骤三、利用材料计算模拟软件VASP对材料X的当前结构文件进行弛豫计算，获得稳定的表面结构文件，并输出该稳定结构文件的总能量E(XLi
x
)
num
；
[0013]其中，x表示当前结构文件中吸附的Li原子数量；由于材料X初始表面还未吸附Li原子，驰豫时，x是0，构建的结构库中只含初始二维材料对应的结构文件；num表示为x个Li原子构建的结构库中对应的当前结构文件的编号。
[0014]对垂直于二维材料的z方向的基矢不进行弛豫。
[0015]步骤四、获取二维材料X表面所有可能的n个吸附位点，将一个Li原子吸附到其中一个吸附位点上，每个吸附位点对应一种结构文件，所有吸附位点对应的n个结构文件形成了结构库；
[0016]吸附位点根据材料自身的材质与特性人为判定；
[0017]步骤五、令Li原子的吸附个数x＝x+1，批量导入结构库中的n个结构文件，重复步骤二至步骤三进行高通量计算筛选，直到结构库中n个结构文件计算完毕；
[0018]Li原子吸附到表面在结构文件中表现：Li原子个数加一，同时，加入的Li原子位于原二维材料z方向上方，且与近邻二维材料原子之间距离不大于两原子半径之和。
[0019]步骤六、筛选x个Li吸附原子下n个总能量E(XLi
x
)
num
的最低值，并计算该最低值对应的平衡电压；
[0020]根据n个结构文件输出的n个总能量E(XLi
x
)
num
，筛选最低值MIN(E(XLi
x
)
num
)的结构作为最稳定结构，并将其能量定义为E(XLi
x
)；保留该最稳定结构文件，并将结构库中其他结构文件删除。
[0021]平衡电压的计算公式为：
[0022]其中，F是法拉第常数，E(Li)表示单个Li原子在体相下的能量。
[0023]通过带入x
‑
1个Li原子的最低能量和x个Li原子的最低能量，得到x个Li原子吸附下的平衡电压值。
[0024]步骤七、判断平衡电压是否大于0或吸附位点是否未达到满吸附，如果是，则在此最稳定结构文件的基础上逐级继续吸附第二个Li原子，直到满足条件结束，进入步骤八；否则，直接进入步骤八；
[0025]逐级吸附Li原子的过程为：在此最稳定结构文件的基础上继续吸附另一个Li原子A，根据吸附位点构建Li原子A可能存在的吸附结构库；即除已吸附Li原子的位点外，其余所有吸附位点结构的构建。
[0026]重复将Li原子A构建的结构库中所有结构文件都输入VASP，得到各自对应的总能量，并选择最低值及对应的平衡电压；直至平衡电压小于0或者最稳定结构文件的吸附点全部吸满，则停止计算，此时吸附的Li原子数为M，材料X表面最大Li吸附容量m＝M
‑
1。
[0027]步骤八、输出所有平衡电压值，绘制理想电压曲线，得到Li吸附中间相的形成能，Li吸附阈值，以及理论容量。
[0028]材料X的形成能计算公式为：
[0029]E
f
(XLi
x
)＝E(XLi
x
)
‑
(x/m)E(XLi
m
)
‑
(1
‑
x/m)E(X)
[0030]其中，E(XLi
x
)表示材料表面吸附x个Li原子输出的总能量，E(XLi
m
)表示材料表面吸附m个Li原子输出的总能量，E(X)表示二维材料X驰豫后输出的总能量。
[0031]理论容量C
A
的计算公式为：
[0032]其中，Z
A
是吸附元素的化合价数，M
X
对应材料X的分子量，M
A
对应Li原子的分子量。
[0033]本专利技术的优点在于：
[0034]1、一种表面逐级渐进吸附Li原子的高通量计算方法，对不同材料表面Li原子吸附结构进行筛选，运用高通量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面逐级渐进吸附Li原子的高通量计算方法，其特征在于，具体步骤如下：首先，针对某二维电极材料X，确定材料的表面类型并导入结构文件；对结构文件进行优化，当真空层厚度达到以上且方向在z轴，对结构文件进行弛豫计算，获得稳定的表面结构文件，并输出该稳定结构文件的总能量E(XLi
x
)
num
；x表示当前结构文件中吸附的Li原子数量；num表示为x个Li原子构建的结构库中对应的当前结构文件的编号；然后，获取二维材料X表面所有可能的n个吸附位点，将一个Li原子吸附到其中一个吸附位点上，每个吸附位点对应一种结构文件，所有吸附位点对应的n个结构文件形成了结构库；更新Li原子的吸附个数x＝x+1，批量导入结构库中的n个结构文件，重复进行高通量弛豫计算，直到结构库中n个结构文件计算完毕；筛选总能量E(XLi
x
)
num
的最低值，并计算该最低值对应的平衡电压；接着，在此最低值对应的稳定结构的基础上逐级继续吸附第二个、第三个Li原子
……
直到满足平衡电压小于0或吸附位点达到满吸附；最后，输出所有平衡电压值，绘制理想电压曲线，得到Li吸附中间相的形成能，Li吸附阈值，以及理论容量。2.如权利要求1所述的一种表面逐级渐进吸附Li原子的高通量计算方法，其特征在于所述的确定材料X的表面类型具体为：判断材料X的表面是否为确定的组成，如果是，将这一确定表面的结构文件导入；否则，X表面的组成复杂，表面原子排布不确定，存在多种表面结构，需并行导入对应的一系列结构文件，进行后续计算处理；结构文件包括：元素种类、各元素原子总数、超胞基矢大小及各原子坐标。3.如权利要求1所述的一种表面逐级渐进吸附Li原子的高通量计算方法，其特征在于所述的结构优化是指：当z轴不是真空层的方向，则调整基矢使真空层在z轴方向；当真空层厚度小于则增大真空层的大小。4.如权利要求1所述的一种表面逐级渐进吸附Li原子的高通量计算方法，其特征在于所述的材料X初始表面还未吸附Li原子，驰豫时，x是0，构建的结构库中只含初始二维材料对应的结构文件；对垂直于二维材料的z方向的基矢不进行弛豫。5.如权利要求1所述的一种表面逐级渐进吸附Li原子的高通量计算方法，其特征在于所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞丰，谷艺韬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：