锂电池材料研究设计解决方案

MedeA是一个全功能材料设计及性质预测平台软件，其包含数据库、建模工具、多尺度计算引擎、多种理化性质预测工具等模块。

一、建模

分子、晶体、缺陷、掺杂、表面、吸附、分子筛、界面、无定型材料、高聚物、复合材料

二、计算引擎

量子力学VASP、分子动力学LAMMPS、蒙特卡洛Gibbs、量化化学Gaussian

三、性质预测

VASP	Transition State Search
结构优化、 XRD预测电子导电性、介电常数、压电效应、体积变化	扩散路径和能垒、极化子迁移、离子电导率
HT	UNiversal Cluster Expansion
高通量性质预测、材料筛选	相图(混溶性/分散性) 相转变、正极材料最稳定相搜索
Phonon	MT
声子性质、热力学稳定性、lR/Raman光谱、热容、热膨胀系数	力学性质（弹性、延展性脆性、硬度）、热膨胀系数、热容
LAMMPS	LAMMPS Diffusion
界面、电解液一定温度和压强的结构稳定性	界面、材料内部、自扩散/互扩散、扩散系数
Interface Builder	Amorphous Materials Builder
界面模型扭转晶界共格晶界半共格晶界	液态电解质、聚合物电解质无定形模型

锂电池材料研究设计解决方案

MedeA是一个全功能材料设计及性质预测平台软件，其包含数据库、建模工具、多尺度计算引擎、多种理化性质预测工具等模块。

一、建模

分子、晶体、缺陷、掺杂、表面、吸附、分子筛、界面、无定型材料、高聚物、复合材料

二、计算引擎

量子力学VASP、分子动力学LAMMPS、蒙特卡洛Gibbs、量化化学Gaussian

三、性质预测

VASP	Transition State Search
结构优化、 XRD预测电子导电性、介电常数、压电效应、体积变化	扩散路径和能垒、极化子迁移、离子电导率
HT	UNiversal Cluster Expansion
高通量性质预测、材料筛选	相图(混溶性/分散性) 相转变、正极材料最稳定相搜索
Phonon	MT
声子性质、热力学稳定性、lR/Raman光谱、热容、热膨胀系数	力学性质（弹性、延展性脆性、硬度）、热膨胀系数、热容
LAMMPS	LAMMPS Diffusion
界面、电解液一定温度和压强的结构稳定性	界面、材料内部、自扩散/互扩散、扩散系数
Interface Builder	Amorphous Materials Builder
界面模型扭转晶界共格晶界半共格晶界	液态电解质、聚合物电解质无定形模型

电池材料安全性

♦正极材料FePO4不同晶型结构、力学、声子性质研究

MedeA VASP：计算不同晶型FePO4在不同压力下的生成热，考察稳定性
MedeA VASP + MedeA MT：预测不同晶型FePO4的力学性质，考察稳定性
MedeA VASP + MedeA Phonon: 预测不同晶型FePO4的声子性质，考察稳定性

♦N掺杂钠离子电池负极材料的电化学性能研究

MedeA-Forcefields：用REBO势函数描述硬碳模型中的原子相互作用。
MedeA-LAMMPS：分子动力学程序对硬碳液体进行淬火，得到了实验条件下的硬碳模型。
MedeA-VASP：计算N掺杂硬碳负极材料钠化过程中的体积膨胀系数，从而探究N掺杂对负极材料电化学性能的影响，为材料制备以及电化学性能改善提供了理论依据。
*参考文献：Agrawal A, et al., Electrochimica Acta, 2019, 317(164-172).

电池材料安全性

♦正极材料FePO4不同晶型结构、力学、声子性质研究

MedeA VASP：计算不同晶型FePO4在不同压力下的生成热，考察稳定性
MedeA VASP + MedeA MT：预测不同晶型FePO4的力学性质，考察稳定性
MedeA VASP + MedeA Phonon: 预测不同晶型FePO4的声子性质，考察稳定性

♦N掺杂钠离子电池负极材料的电化学性能研究

MedeA-Forcefields：用REBO势函数描述硬碳模型中的原子相互作用。
MedeA-LAMMPS：分子动力学程序对硬碳液体进行淬火，得到了实验条件下的硬碳模型。
MedeA-VASP：计算N掺杂硬碳负极材料钠化过程中的体积膨胀系数，从而探究N掺杂对负极材料电化学性能的影响，为材料制备以及电化学性能改善提供了理论依据。
*参考文献：Agrawal A, et al., Electrochimica Acta, 2019, 317(164-172).

离子传输机理

♦Mg2+/Li+双阳离子在Mo6S8中输运性质理论研究

MedeA VASP + MedeA Transition State Search (TSS)：研究Mo6S8结构中阳离子输运性质。考察不同扩散路径在 Mo6S8 中的离子位点，同时计算 Li+、Mg2+、Mg2+/Li+双阳离子扩散能垒以及运动轨迹。
*参考文献：Jae-Hyun Cho, et al., J. Am. Chem. Soc. 2017, 121, 12617-12623.

离子传输机理

♦Mg2+/Li+双阳离子在Mo6S8中输运性质理论研究

MedeA VASP + MedeA Transition State Search (TSS)：研究Mo6S8结构中阳离子输运性质。考察不同扩散路径在 Mo6S8 中的离子位点，同时计算 Li+、Mg2+、Mg2+/Li+双阳离子扩散能垒以及运动轨迹。
*参考文献：Jae-Hyun Cho, et al., J. Am. Chem. Soc. 2017, 121, 12617-12623.

电解质、电解液

♦固态电解质LGPS结构对其力学性质和Li离子迁移行为的影响

MedeA Nanoparticle Builder：构建LGPS纳米团簇结构

MedeA Amorphous Materials Builder：构建LGPS非晶结构

MedeA Interfaces Builder：构建LGPS扭转晶界结构

MedeA VASP + MedeA TSS：量子力学尺度下预测Li离子在各种LGPS中的扩散行为

MedeA LAMMPS + MedeA Diffusion: 分子动力学尺度下预测Li离子在各种LGPS中的扩散行为

*参考文献：此案例由Materials Design 公司与TOYOTA公司共同完成

♦聚合物电解质中Li离子输运性质的分子模拟研究

MedeA Polymer Builder：创建PEO、SUL和CAR的聚合物结构。
MedeA Amorphous Builder：创建电解质溶液的无定形模型。
MedeA LAMMPS Diffusion：计算Li+和TFSI-在各个聚合物中的扩散系数，表明阴离子的扩散速度比阳离子快，阳离子与聚合物链间的强相互作用有效地减缓了聚合物链的速度，阴离子由聚合物松散地协调，表现更高的流动性。
MedeA VASP：利用DFT方法计算了Li离子与各个聚合物分子间的结合能以及电离能，发现SUL-TFSI-间的结合能(-0.71ev)是EO-TFSI-间结合能(-0.35eV)的两倍。

*参考文献：Arthur France-Lanord, et al., Chem. Mater. 2020, 32, 121−126.

电解质、电解液

♦固态电解质LGPS结构对其力学性质和Li离子迁移行为的影响

MedeA Nanoparticle Builder：构建LGPS纳米团簇结构

MedeA Amorphous Materials Builder：构建LGPS非晶结构

MedeA Interfaces Builder：构建LGPS扭转晶界结构

MedeA VASP + MedeA TSS：量子力学尺度下预测Li离子在各种LGPS中的扩散行为

MedeA LAMMPS + MedeA Diffusion: 分子动力学尺度下预测Li离子在各种LGPS中的扩散行为

*参考文献：此案例由Materials Design 公司与TOYOTA公司共同完成

♦聚合物电解质中Li离子输运性质的分子模拟研究

MedeA Polymer Builder：创建PEO、SUL和CAR的聚合物结构。
MedeA Amorphous Builder：创建电解质溶液的无定形模型。
MedeA LAMMPS Diffusion：计算Li+和TFSI-在各个聚合物中的扩散系数，表明阴离子的扩散速度比阳离子快，阳离子与聚合物链间的强相互作用有效地减缓了聚合物链的速度，阴离子由聚合物松散地协调，表现更高的流动性。
MedeA VASP：利用DFT方法计算了Li离子与各个聚合物分子间的结合能以及电离能，发现SUL-TFSI-间的结合能(-0.71ev)是EO-TFSI-间结合能(-0.35eV)的两倍。

*参考文献：Arthur France-Lanord, et al., Chem. Mater. 2020, 32, 121−126.

SEI膜

♦固态电解质膜（SEI）结构、力学、Li离子扩散行为研究

MedeA VASP + Phonon：预测IR/Raman 光谱
MedeA Interfaces Builder：构建SEI界面模型
MedeA LAMMPS + MedeA Diffusion: 预测Li离子在SEI中的扩散行为
MedeA LAMMPS + MedeA MT：预测SEI的力学性质

SEI膜

♦固态电解质膜（SEI）结构、力学、Li离子扩散行为研究

MedeA VASP + Phonon：预测IR/Raman 光谱
MedeA Interfaces Builder：构建SEI界面模型
MedeA LAMMPS + MedeA Diffusion: 预测Li离子在SEI中的扩散行为
MedeA LAMMPS + MedeA MT：预测SEI的力学性质

高通量筛选

♦固态锂离子电池中的低应变正极材料设计

MedeA VASP + MedeA High Throughput：利用从头计算筛选具有尖晶石结构（LiM2O4）的各种氧化物材料，优化其体积变化、锂的电化学势。选择三种金属来设计低应变材料：Mg控制体积变化量、Mn提供结构稳定性、Cr 补偿 Mg带来的电化学惰性。计算表明，Mg 与其他过渡金属不同，随着Li离子嵌入，能够进行体积补偿。当Mg含量增加时，体积的补偿作用也越明显。同时结合实验进一步验证计算合理性。

*参考文献：Joint work with Toyota Motors Europe (2016) Patent WO2014191018 A1 with Materials Design® as co-author.

高通量筛选

♦固态锂离子电池中的低应变正极材料设计

MedeA VASP + MedeA High Throughput：利用从头计算筛选具有尖晶石结构（LiM2O4）的各种氧化物材料，优化其体积变化、锂的电化学势。选择三种金属来设计低应变材料：Mg控制体积变化量、Mn提供结构稳定性、Cr 补偿 Mg带来的电化学惰性。计算表明，Mg 与其他过渡金属不同，随着Li离子嵌入，能够进行体积补偿。当Mg含量增加时，体积的补偿作用也越明显。同时结合实验进一步验证计算合理性。

*参考文献：Joint work with Toyota Motors Europe (2016) Patent WO2014191018 A1 with Materials Design® as co-author.