电化学过程的多尺度多物理场模拟方法及应用技术

本发明专利技术提供了电化学过程的多尺度多物理场模拟方法及应用，通过动态数据建模的方式，首先建立电化学过程数据模型，而后在电子尺度、原子尺度上、分子尺度、介观尺度、宏观尺度上进行模拟，而后基于多尺度多物理场模拟结果，对电化学过程中的参数与得到的性能数据进行定性、定量分析，并进行分类与归纳整理；建立各参数与电化学系统性能的关联模型，通过结果与性能预测来反馈调节、优化电化学过程的各项参数。本发明专利技术涵盖电子尺度到宏观尺度的电化学过程模拟，对于不同计算尺度使用不同理论方法来达到计算的高准确性和高效性，能够高效地优化电化学系统的研究流程，降低实验的试错成本，提高电化学领域的研究、设计、生产效率等。生产效率等。生产效率等。

【技术实现步骤摘要】
电化学过程的多尺度多物理场模拟方法及应用


[0001]本专利技术属于电化学模拟
，具体涉及电化学过程的多尺度多物理场模拟方法及应用。

技术介绍

[0002]能源存储与转换是目前人类能源相关技术中的重要课题，主要涉及电化学过程，因为电能是一种品位很高的能量，可以与其他形式能源互相转换。电化学能源存储与转换技术可以加强人类对能量的掌控，在一定程度上解决能源问题。电化学是研究两类导体(电子导体，如金属或半导体，以及离子导体，如电解质溶液)形成的接界面上所发生的带电及电子转移变化的科学，主要涉及能量的储存、释放和转化过程。
[0003]理论模拟方法可以对电化学领域物质性质进行模拟与预测，从理论和模拟的角度阐明物质能量转换和状态变化的规律。理论研究是在实验的基础上探索总结规律与原理，可以通过计算快速对所需研究体系的性质进行筛选和预测，也可以通过已知的理论工具去探索实验所无法涉及的领域，如纳米尺度的粒子运动与分布、电子结构对体系的影响。理论计算方法对电化学能源存储与转换领域的研究至关重要。通过对电化学材料、过程、和工艺的研究，以及计算机技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电化学过程的多尺度多物理场模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，通过动态数据建模的方式，建立电化学过程数据模型：包括量子电化学数据库、原子电化学数据库、分子电化学数据库、介观非平衡态电化学数据库和宏观电化学数据库；S2，在电子尺度上，基于量子力学的密度泛函理论计算，从材料电子结构和能量信息出发，获取所需电化学系统的微观物理化学性质；S3，在原子尺度上，使用分子模拟进行更加细致的研究，运用经典力学或者量子力学的方法来研究这些分子的运动规律，从而最终得到体系的宏观性质和基本规律，为介观或宏观模拟提供参数；S4，在分子尺度上，建立电化学系统的材料表界面模型，通过经典密度泛函理论(CDFT)研究电化学系统电极
‑
电解液界面平衡及非平衡态性质，获得系统平衡态的微观结构和宏观热力学性质；通过联合密度泛函理论(JDFT)，利用QDFT和CDFT分别处理溶质和溶剂，自洽高效的解决电极
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电解液界面问题；通过将体系总自由能最小化，得到平衡状态下电极
‑
电解液界面的性质；为介观多物理场模拟提供初始分布状态；S5，在介观尺度上，利用多物理场耦合的动态密度泛函理论(DDFT)处理能量储存和转化系统中的不可逆的传质过程：以化学势驱动密度分布，考虑外加电势、速度、温度、反应以及限域效应的影响；针对实际电化学系统，反应和传递耦合问题普遍存在，从通用的菲克定律出发，基于唯象理论和线性非平衡态热力学理论，解决反应和传递耦合问题，快速的分析和解释在大量不同类别的催化剂上以及在不同的操作条件下的反应传质过程；S6，在宏观尺度上，对于电化学反应器与电堆设计，涉及电化学系统热效应计算：使用焦耳热与可逆热方程计算电池内部产热量，再通过耦合计算流体力学、热对流与热传递方程，模拟宏观电化学系统的热传导过程，指导电化学器件设计；S7，基于多尺度多物理场模拟结果，对电化学过程中的参数与得到的性能数据进行定性、定量分析，并进行分类与归纳整理；建立各参数与电化学系统性能的关联模型，通过结果与性能预测来反馈调节、优化电化学过程的各项参数。2.根据权利要求1所述的电化学过程的多尺度多物理场模拟方法，其特征在于：其中，S1中，所述量子电化学数据库中包括能量信息以及电子结构信息；所述原子电化学数据库中包括至少含有原子轨迹、键级信息、化学反应、运动规律信息的原子层面结构信息；所述分子电化学数据库中包括至少含有粒子的密度分布、双电层结构、能量密度、固液界面性质信息的分子层面结构信息；所述介观非平衡态电化学数据库中包括至少含有时间依赖的粒子分布、外加电势、速度、温度、反应以及限域效应信息的介观非平衡态结构信息；宏观电化学数据库中包括至少含有焦耳产热量、反应产热量、流体力学性质信息的宏观结构信息，S2中，获取所需电化学系统的微观物理化学性质包括相互作用能和反应活化能，相互作用能为分子模拟中的力场提供参数，反应活化能为电催化反应提供反应速率常数，筛选出最优材料，指导工业上储能材料的合成。3.根据权利要求1所述的电化学过程的多尺度多物理场模拟方法，其特征在于：其中，S3中包括如下步骤：S3.1，首先考虑一个由N个分子构成的系统，系统的能量由系统中所有分子的动能和系统的总势能组成，分子的初始动能根据Boltzmann分布按目标温度随机指定每个分子的初
始运动速度，对于系统的总势能，选择合适的力场，根据该力场中成键和非成键能量的表达形式对每个分子所受的力以及分子间的相互作用能进行计算；S3.2，根据牛顿运动学计算出各分子的加速度，对时间积分，得到经过一个指定的积分步长t后各个分子的新坐标和速度，完成分子一个步长的移动；重复上述步骤，经过一段时间的积分步数后，每个分子就有了各自的运动轨迹，并通过设定时间间隔来对轨迹进行保存；模拟完成后根据运动轨迹对系统的结构、热力学、动力学、能量、力学方面进行分析，最终得到要求解的物理量的计算结果。4.权利要求1所述的电化学过程的多尺度多物理场模拟方法，其特征在于：其中，S4中包括如下步骤：S4.1写出体系的内在Helmholtz自由能F与巨势能Ω之间存在关系其中A为Helmholtz自由能，为每种分子的潜在化学外势，μ为化学势，ρ(r)为体系平衡时的密度分布；内在Helmholtz自由能以及巨势能是粒子或分子的单体密度分布的函数，当巨势能取极小值δΩ[ρ(r)]/δρ(r)＝0时，获得系统平衡态的微观结构和宏观热力学性质；S4.2探究粒子在带电表面、受限空间中的分布，至少包括粒子的密度分布、双电层结构、能量密度；对于真实电化学系统的电极
‑
电解液界面，环境十分复杂，当电极界面不能假设为理想的金属或硬壁边界时，电极化学将起到十分重要的作用，通过联合密度泛函理论，利用QDFT和CDFT分别处理溶质和溶剂，自洽高效的解决电极
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电解液界面问题；通过最小化总的自由能A
JDFT
[n,{N
α
},V(r)]＝A
HK
[n]+A
lq
[{N
α
}+ΔA[n,{N
α
},V(r)]]，得到平衡状态下的电极
‑
电解液界面性质，其中，A
HK
是Hohenberg
‑
Kohn Theorems提出的电子能，A
lq
是经典密度泛函表示的液体自由能，ΔA是源于溶质与溶剂相互作用的耦合能量。5.根据权利要求1所述的电化学过程的多尺度多物理场模拟方法，其特征在于：其中，S5中包括如下步骤：利用多物理场耦合的动态密度泛函理论(DDFT)处理能量储存和转化系统中的不可逆的传质过程：DDFT包含连续性方程与菲克定律其中是“流”，化学势μ的梯度是热力学“力”，是粒子密度分布，而Γ＝D/k
B
T是迁移率，化学势μ分为本征项μ
int
和外场项μ
ext
；本征项μ
int
取决于系统的Helmholtz自由能取决于系统的Helmholtz自由能包括理想自由能F
id
和剩余自由能F
exc
；通量由化学势驱动，还需考虑外加电势、速度、温度、反应以及限域效应，加入外场项的通量为其中为单离子传热系数，外加电势项为上式右侧的第二项，再耦合Poisson方程来实现：温度项为上式右侧的第三项，再耦合热方程来实现：考虑速度场与反应的
连续性方程如下所示：速度场为上式右侧的第二项，再耦合Navier
‑
Stokes方程来实现：反应则通过更改源项R
i
来实现，其中，ε为介电常数，κ为导热系数，I为电流，E为电势，c
p
为热容，u为流速，R
i
为源项，P为压强，η为黏度系数；对于化学势如果只考虑本征项中的理想自由能以及外场项中的外加平均电势，进一步耦合Poisson方程,可以得到上述的PNP方程，而表面电极反应可以用Buter
‑
Volmer(BV)方程i＝i0<exp[(α
a
nFη1)/(RT)]
‑
exp[
‑
(α
c
nFη1)/(RT)]>表示，其中i为电流密度，i0为交换电流密度，α
a
为阳极转换系数，α
c
为阴极转换系数，n为反应参与电子数，F为法拉第常数，η1为过电势；利用PNP
‑
BV方程去解决电催化体系中的传递和反应的耦合问题，如果再考虑本征项μ
int
中剩余自由能F
exc
的体积排斥项F
hs
[ρ]，就可以得到修正的通量表达式其中a为离子直径。6.根据权利要求1所述的电化学过程的多尺度多物理场模拟方法，其特征在于：其中，S6中包括如下步骤：首先利用焦耳...

【专利技术属性】
技术研发人员：练成，程锦，陶浩兰，黄凯，刘洪来，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：