【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及储能电池，具体涉及一种评价氢键物质和zn2+对层状正极材料性能影响的方法。
技术介绍
1、水系离子电池为电池研究的前沿方向之一，已在大规模储能系统中展示出其独特的优势。传统的离子电池多采用价格高昂的有机溶剂作为电解质，这不仅提高了成本，还带来了安全隐患。近年来兴起的水系离子电池以水溶液作为电解质，具有本征的安全和环保优势，同时离子传导性能好、成本低廉，因此备受青睐，已逐渐成为新一代大型储能电池技术发展的优选方向。
2、层状材料是水系离子电池常用的正极材料。如层状钒基氧化物(vxoy)是水系锌离子电池的常用正极，具有多电子转移、高电池容量、低氧化还原电位等优点。层状正极材料若层间间距较小，容量相对有限，则将会因锌离子的重复嵌入/脱出引起结构稳定性变差而最终导致容量快速衰减。为了拓展层状正极材料的空间，提高锌离子嵌入/脱出的效率和稳定性并优化正极材料性能，研究人员已开发了多种策略。譬如，预先在层状正极材料中插入水分子、金属离子或有机分子，这有利于改善层状间隙和正极材料性能。在zn0.25v2o5·nh2o中结构中，结构水可以调节层间通道，以使锌离子的嵌入/脱出具有可逆性。此时，层间锌离子和水分子充当支柱，稳定层状结构，为锌离子和水分子的后续嵌入/脱出提供足够的空间。研究证实，水系电池层状正极材料中若存在结构水，则其中的电荷转移阻力和活化能低于非水系电池体系；对于v3o7·nh2o正极材料，锌离子脱离电解液体系而插入其中的过程变得更容易。可见，水分子在层状正极材料中插层形成结构水不仅有利于拓展层状空隙，还可以
3、然而，由于现有技术对于水系电池中含氢键物质插层并优化正极材料性能缺乏电子层面的认知，对于含氢键物质插层正极材料所伴随的电子、声子、能量、成键等过程的理解还不够清晰，导致在对水系离子电池正极材料进行设计和改进时缺乏本征意义上的理论指导，最终难以对氢键物质和zn2+对层状正极材料性能影响进行准确判断。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种评价氢键物质和zn2+对层状正极材料性能影响的方法，模拟含氢键物质(以h2o、nh4+、ch3oh和c2h5oh为代表)及锌离子在层状正极材料(以vxoy为代表)中的插层行为，从电子层面揭示插层对正极材料结构和性能的影响机制，以解决缺乏从电子层面对水系电解液中含氢键物质和锌离子在正极材料中插层时伴随的电子、能量、成键等演化过程的认知问题，并为水系电池电解液和正极材料优化设计和性能研究提供依据。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种评价氢键物质和zn2+对层状正极材料性能影响的方法，具体步骤如下：
4、步骤1：构建并优化双层vxoy模型：
5、(1)构建双层vxoy模型：根据化学计量结构生成所需密勒指数面的双层vxoy模型，在层之间设置相同距离的真空区域；
6、(2)优化双层vxoy模型：采取所有原子位置及晶胞尺寸均可变化进行优化，层间通过范德华力相互作用连接，收敛标准设置为体系结构能量变化≤1.3×10-4ev；开始计算直到其整体能量达到预设能量收敛标准时，所得结构即为优化后的双层vxoy模型；
7、步骤2：构建与优化含氢键物质和锌离子共插层vxoy模型：
8、(1)构建共插层模型：基于步骤1构建的双层vxoy模型，构建氢键物质和zn2+插层的vxoy模型；其中，vxoy双层包含两个vxoy单层，层间距离设置为相同距离，设置插层物质置于上层vxoy上方；
9、(2)优化共插层模型：采用步骤1中(2)优化双层vxoy模型的方法对构建的共插层模型进行优化，获得优化后的稳定共插层结构；
10、(3)性能分析：
11、a、形成能计算：对插层模型中各种含氢键物质进行形成能计算，从而比较不同含氢键物质插层vxoy层间的难易程度；
12、b、体积变化计算：对不同含氢键物质和zn2+的共插层模型进行绝对体积差和相对体积差计算，比较含氢键物质和锌离子插层vxoy正极材料引起的体积变化，评估各种插层的结构稳定性；
13、c、理论电压计算：对各插层模型中zn的理论电压进行计算，通过比较平均电压值及随插层物质和数量的变化来评估各种插层的电压状况；
14、d、电子性质计算：计算不同插层情况时各个结构的能带、态密度和差分电荷密度，分析带隙大小和电子密度分布，确定含氢键物质插层层状正极材料引起的电子结构改变；
15、步骤3：构建与优化vxoy层间zn2+扩散过渡态模型：
16、(1)构建锌离子扩散超胞模型：采用步骤1获得的优化后的双层vxoy模型，将双层vxoy双城结构沿α轴方向扩展成为2×1×1的超胞结构，在层间插层单个锌离子和含氢键物质，形成扩散超胞模型，以模拟zn2+从一个周期单元扩散至另一周期单元相同位置的情况；
17、(2)优化zn2+扩散超胞模型：采用步骤1中(2)优化双层vxoy模型的方法对构建的扩散超胞模型进行优化，能量收敛标准≤1.3×10-3ev，以获得优化后的稳定过渡态结构；
18、(3)扩散能垒计算：对不同插层模型进行zn2+过渡态的计算，比较各模型中的zn2+迁移能垒，以确定最易扩散的插层结构。
19、优选地，在步骤2中，形成能的计算式如下：
20、
21、式中，e(vxoy·zy)是不同y物质插层时vxoy·zy的总能量，z是y插层物质的分子数目，e(vxoy)是vxoy的初始总能量，e(y)代表孤立的y物质的总能量。
22、优选地，在步骤2中，绝对体积差和相对体积差计算式如下：
23、δvabs＝v(vxoy·zy)-v(vxoy) (2)；
24、
25、式中，y为插层物质，z是插入物y的分子数目，v(vxoy·zy)是共插层结构的体积，v(vxoy)是无物质插层时vxoy的体积。
26、优选地，在步骤2中，理论电压δef的计算式如下：
27、
28、式中，ecathode表示zn2+插层vxoy·y结构后的总吉布斯自由能；变量x1和x2指插入的zn2+数量；ezn表示插入vxoy结构中的全部zn2+的总吉布斯自由能；e代表电子电荷，n是zn的价电子数；当x1＝0、x2＝1时，δef即为正极的开路电压。
29、优选地，在步骤3中，迁移能垒δediff的计算式如下：
30、δediff＝ets-einitial 本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种评价氢键物质和Zn2+对层状正极材料性能影响的方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤2中，形成能ΔEf的计算式如下：
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤2中，绝对体积差ΔVabs和相对体积差ΔVrel计算式如下：
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤2中，理论电压ΔEf的计算式如下：
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤3中，迁移能垒ΔEdiff的计算式如下：
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤3的(1)构建锌离子扩散超胞模型时，移除第二个周期中的锌离子，保留第一个周期中的锌离子，此即形成初始状态；反过来，移除第一个周期中的锌离子而保留第二个周期中的锌离子，则形成扩散的最终状态；基于初始和最终状态创建共9个轨迹点副本，充分模拟锌离子的可能扩散路径。
7.根据权利要求1～6任一所述方法，其特征在于，所述Y物质为含氢键物质；其中，含氢键物质包括H2O、NH4+、CH3OH、C2H5OH中的一种。
【技术特征摘要】
1.一种评价氢键物质和zn2+对层状正极材料性能影响的方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤2中，形成能δef的计算式如下：
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤2中，绝对体积差δvabs和相对体积差δvrel计算式如下：
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤2中，理论电压δef的计算式如下：
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤3中，迁移能垒δediff的计算...
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