一种使用第一性原理预测镁阳极恒流放电性能的方法

本发明属于海水电池阳极电化学行为领域，具体涉及一种使用第一性原理预测镁阳极恒流放电性能的方法。

背景技术：

1、镁阳极因其高理论容量和合适的工作电压以及成本较低、储量丰富、腐蚀产物无污染、更换便捷等特质，而被认为是下一代储能装置的最有前途的阳极。然而，其进一步的商业化因其不同合金在放电过程中出现的电位波动，以及随极化程度而影响增大的负差数效应、导致镁合金损耗增大的块状效应等而被阻碍。第一性原理建模被认为是模拟电极过程的有效策略。在第一性原理计算中，目前对于镁阳极表现有效的评定主要还是以功函数、态密度为主，但是在实际阳极性能评定上还需要一个广泛适用的评价方式。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种使用第一性原理预测镁阳极恒流放电性能的方法，可获得海水中镁阳极表面双电层模型，基于联合密度泛函理论，可快速有效地对其电化学性质进行预测。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种使用第一性原理预测镁阳极恒流放电性能的方法，包括如下步骤：

3、步骤(1)：根据不同阳极的原子构型和排列方式，利用material studio建立基体模型；切割样品表面，设置真空层、溶剂层；

4、步骤(2)：对步骤(1)形成的结构进行几何优化；

5、步骤(3)：结合联合密度泛函理论，将几何优化后的结构放入溶剂环境中溶剂化，计算出结构的总能量和界面电子密度、电荷密度、电极电位；

6、步骤(4)：使用步骤(3)的计算结果，结合计时电位法的放电动力学规律，预测出在设定做功时间内，阳极恒电流放电的电位-时间关系。

7、进一步的，步骤(1)中选用纯mg的基面作为阳极材料。

8、进一步的，步骤(1)具体为：计算出镁晶胞的晶格参数，建立一个含有九层金属原子层的镁极板，建立4*4*1的超晶胞；沿晶胞面(1 0 0)进行切割；以晶胞模型为基础平移单元，在切割面处沿c方向平移增加出40埃厚度的真空层，形成初始晶面模型；

9、复制出两个相同的分子模型，分别在镁阳极板表面的顶位吸附四个水分子和一个氯离子。

10、进一步的，步骤(2)中使用vasp进行真空中的几何优化，并且固定底部6层金属原子层，允许其余表面层原子以及一层水分子自由移动。

11、进一步的，步骤(2)具体为：采用密度泛函理论的第一性原理计算方法中的缀加平面波方法，基于广义梯度近似的perdew-burke-ernzerhof函数作为交换相关函数，设置平面波动截断能、原子的受力收敛标准、自洽场的能量收敛判据、镁的电子组态、布里渊区的k值和范德华力修正。

12、进一步的，步骤(3)中的溶剂化参数具体为：流体模式选择为linearpcm，pcm变体为candle，溶剂为设定浓度的nacl的水；

13、交换关联泛函为gga-pbesol；

14、允许库仑交互作用并设置库仑校正为金属层的中心对称位置；

15、k-point设置为gamma模式，数值为5-5-1；

16、设置电子步最大迭代次数，收敛阈值和截断能。

17、进一步的，步骤(4)中采用的放电动力学规律如下所示：

18、

19、其中η是过电势；j是给定的递增的电流密度；是反应物浓度，d0是反应物的扩散系数；j0是交换电流密度，cr(0,t)是表面x＝0处的浓度，是本体远离紧密层浓度η是过电势，是常数。

20、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

21、应用本发明的技术方案，通过对所研究的基体和涂层进行分子建模、第一性原理模拟、计算电化学性能等步骤，借助联合密度泛函理论的方法预测海水电池阳极的电化学性能；本发明的方法相比于现有的实验方法成本更低，效率更高，无需任何实验参数输入，且提供了一种评价表面双电层参数的方法，更好为电极材料的制备以及实际应用提供理论指导。

1.一种使用第一性原理预测镁阳极恒流放电性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中选用纯mg的基面作为阳极材料。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)具体为：计算出镁晶胞的晶格参数，建立一个含有九层金属原子层的镁极板，建立4*4*1的超晶胞；沿晶胞面(1 0 0)进行切割；以晶胞模型为基础平移单元，在切割面处沿c方向平移增加出40埃厚度的真空层，形成初始晶面模型；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)中使用vasp进行真空中的几何优化，并且固定底部6层金属原子层，允许其余表面层原子以及一层水分子自由移动。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)具体为：采用密度泛函理论的第一性原理计算方法中的缀加平面波方法，基于广义梯度近似的perdew-burke-ernzerhof函数作为交换相关函数，设置平面波动截断能、原子的受力收敛标准、自洽场的能量收敛判据、镁的电子组态、布里渊区的k值和范德华力修正。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)中的溶剂化参数具体为：流体模式选择为linearpcm，pcm变体为candle，溶剂为设定浓度的nacl的水；

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(4)中采用的放电动力学规律如下所示：