【教程】锂硫电池中的锂离子扩散系数模拟

文摘   科技   2023-11-06 07:20   北京  


概述

S 晶体中,随机插入一定数量的 Li 原子,形成 Li0.4S,然后通过退火操作形成非晶结构,并基于该结构进行 1600K 恒温分子动力学模拟,从该过程中计算 Li 原子扩散系数。


可以通过两种不同的方式计算扩散系数:


1,通过均方位移的斜率(MSD,推荐):


2,通过速度自相关函数(VACF,这需要将采样频率设置为一个较小的数字)的积分:


建模

S 晶体 *.cif 文件下载(后解压得到*.cif)。AMSinput → File → Import Coordinates读取 *.cif 文件,总计128 个 S 原子:



另开一个AMSinput并创建一个Li原子,File → Export Coordinates保存为 Li.xyz。Edit → Builder,添加 51 个 Li原子,注意最小原子间距从默认 2.5Å 改为 1Å,否则Li原子插不进去:



优化,并通过退火得到“非晶结构”

优化

优化过程这里不再详细展开,用户自行进行即可,Task选择 Geometry Optimization,力场选择LiS.ff,并在Details → Geometry Optimization窗口中,勾选Optimize lattice,保存作业并运行。收敛后,Movie的最后一帧用于后续的退火操作。


退火

基于AMSinput中的新结构,(为了看起来更舒服,可以Bonds→Guess bonds重新猜测键级),设置退火参数:





退火结果:SCM → Movie → MD Properties → Temperature:



基于最后一帧结构,再次如前优化结构与晶格常数。


平衡的分子动力学模拟

基于上一步结构优化的结果,设置分子动力学参数:





保存作业并运行。


基于MSD分析扩散系数

SCM → Movie → MD Properties → MSD,Frames从2000帧开始到最后一帧,Atoms输入Li表示计算所有Li原子的扩散系数,Max MSD frame表示5000帧作为一个分析单位(该量默认为设定分析总帧数的一半):



点击Generate MSD,得到扩散系数3.918×10-8 m2/s



低温扩撒系数

计算 300K 时的扩散系数需要很长时间的轨迹。因此可以考虑使用阿伦尼乌斯方程,通过高温扩散系数外推,来得到低温的扩散系数:


其中D0为指前因子,Ea为活化能,kB为玻尔兹曼常数,T为温度。


从(ln(D(T)) - 1/T)阿伦尼乌斯曲线,可以获得活化能与指前因子。为了外推 Li0.4S 的扩散系数,我们需要计算至少四种不同温度(600 K、800 K、1200 K、1600 K)的轨迹,然后将扩散系数外推到较低的温度。


点击“阅读原文”

费米科技
分享费米科技产品相关教程、最新应用案例
 最新文章