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計算方法被用于探索電池系統(tǒng)，例如用于宏觀物理特性的有限元分析法、用于電子結構的密度泛函理論 (DFT) 和用于原子運動、離子導電性和電解質成分等原子現(xiàn)象的經(jīng)典分子動力學 (CMD) 模擬。DFT 分子動力學計算成本太高，無法模擬金屬沉積所需的時間或長度尺度，而 CMD 無法模擬沉積過程中發(fā)生的鍵斷裂/形成過程。實驗技術缺乏及時的原位和必要的分辨率來闡明精確的原子尺度細節(jié)。

在此，華南理工大學袁斌，香港科技大學羅正湯，加利福尼亞理工學院William A. Goddard Ill等人開發(fā)了一種基于量子力學數(shù)據(jù)的新反應力場，用于描述鋅離子水系電池（ZIB）中鋅電極-電解質界面（EEI）化學反應的形成。這是首次利用反應分子動力學（RMD）模擬來跟蹤 EEI 中的鋅還原和負極結構演變。

研究發(fā)現(xiàn)，在軸向壓力下鋅枝晶的形成受到抑制。在雙電層內觀察到壓力誘導的鋅離子去溶劑化，促進了更快的還原動力學。研究發(fā)現(xiàn)，軸向壓力通過降低成核過程中的軸向原子應力和增加有利的橫向原子擴散來穩(wěn)定 (002) 平面上的原子，從而減少大尺度枝晶的形成。最后，實驗表征和電化學測試證實了這些結果。

圖1. 有壓力和無壓力的情況下，模擬電解質-電極界面上的鋅離子擴散、去溶劑化和還原

總之，該工作使用新的 ReaxFF 模擬了鋅電沉積，并探索了大規(guī)模反應化學體系中 EEI 的擴散和去溶劑化、電荷分布、成核和枝晶形成過程。作者從 ReaxFF MD 模擬和實驗中發(fā)現(xiàn)，通過對擴散和還原動力學的合理控制，加入適量壓力（10 bar）可提高性能和無枝晶生長，在成核過程中還可誘導電極晶體取向。

此外，壓力增強的離子傳輸有效克服了無壓力下的質量傳輸限制，并在 EEI 處形成較小的溶劑化鞘，從而促進更快的還原動力學，導致較低的沉積過電位和快速的電荷轉移。由于沿 Z 軸的表面原子張力降低，有利于鋅生長方向的沉積得以實現(xiàn)。這些 ReaxFF MD 模擬補充了作者的實驗結果，全面解釋了 EEI 反應現(xiàn)象。因此，該項工作能引發(fā)有關金屬沉積機理和界面化學的科學討論，為改進電池奠定基礎。

圖2. 離子沉積模擬

The Zn Deposition Mechanism and Pressure Effects for Aqueous Zn Batteries: A Combined Theoretical and Experimental Study,?Advanced Energy Materials?2023 DOI: 10.1002/aenm.202303047

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?華理/港科大AEM：水系鋅電池的鋅沉積機理和壓力效應：理論與實驗相結合的研究

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