第一性原理计算在电池材料研发中的应用
编者荐语：
在2023ABCA-7“机遇与挑战：先进电池极材料及下一代电池技术的创新与应用”大会主题上，来自北京龙讯旷腾科技有限公司创始人兼首席科学家，中国科学院半导体研究所首席科学家 汪林望教授 ，作了“第一性原理计算在电池材料研发中的应用”主题演讲。
以下文章来源于先进电池材料 ，作者Sinobattery
导读
2023ABCA-7《第七届新型电池正负极材料技术国际论坛暨首届钠电池技术与市场发展论坛》已于2023年4月11、12日在苏州圆满举办完成，本届会议由中国化学与物理电源行业协会、中国电子科技集团公司第十八研究所共同主办，先进电池材料/北京中联毅晖国际会展有公司承办，并得到了中国科学院物理研究所、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所特别支持，同时并得到了中信金属、巴西矿冶、北京龙讯旷腾、赛默飞世尔、常州范群、巴斯夫（中国）、卡博特（中国）、唐山东日、博赛利斯（合肥）硅碳、毕克化学（BYK）、精工电子、苏州微格、宏工科技、德国新帕泰克、钹鑫科技（上海）、阿朗新科(常州)、江苏载驰硅碳、常州百利等联合协办单位的大力支持。本届大会邀请了来自国内外汽车产业、无人机、3C电子、电动工具、铅酸电池、超级电容、钠离子电池、锂离子电池及相关电池主材（正极、负极、隔膜、电解质、导电剂、添加剂）、等相关先进配套装备企业等380家企业单位，会议共安排了17个分会主题，80场主题报告，2个圆桌讨论会。1000余位嘉宾出席了此次国际论坛（请看下方会议现场照片集锦）。
汪林望教授 北京龙讯旷腾科技有限公司创始人兼首席科学家，中国科学院半导体研究所首席科学家
首先感谢会务组的邀请，我今天讲一讲第一性原理计算在电池材料研发中的应用。
我们看到很多工业企业都还在用电镜，但是并没有很多的企业用第一性原理计算去做仿真，我们想推进的工作就是推进第一性原理计算在工业企业材料研发中的应用落地。龙讯旷腾是一家处于成长期的企业，宗旨是发展国产的原子级别的第二代工业软件，利用第一性原理计算来优化材料设计。具体来说，是从第一性原理计算出发，结合分子动力学，甚至连续介质的相场理论来计算多样化的体系，包括电池所涉及的复杂体系。
第一性原理计算其实是用分而自治的方法，先用量子力学计算一小部分，再把电子密度组合成为大的体系，计算精度和直接计算大体系是一样的。这样做的好处是只要有更多的计算机资源便可以在相同的时间计算更大的体系，非常适合应用于工业材料设计仿真。另外，工艺的优化往往是企业更为关心的问题，但工艺问题往往意味着要进行更大的空间和时间尺度计算，龙讯团队在第一性原理基础上开发了一套机器学习力场，也就是先用第一性原理算小的系统，得到大量数据再去进行模型训练，这和传统经典力场算法对比的好处是，它可以描述更复杂的化学反应，并且可以模拟更大的空间和时间尺度。龙讯旷腾的机器学习力场（PWMLFF）包含不同的特征值，是开源的，可以支持用户下载并进行二次开发。
（Kalma-Filter方法）
这里我们用一个例子展开讲讲机器学习可以做什么。下面是锂电池锂枝晶形貌的变化动态图，通过机器学习力场结合分子动力学的计算可以很直观的看到它形貌的变化。
另外一个大家比较关心的问题是在SEI形成过程中电解质是如何分解的。传统的模拟方法都是计算中性体系，而没有考虑电势带来的影响。龙讯旷腾自主研发的第一性原理计算软件PWmat所特有的固定电势法可以对给定的电势模拟电解质分子的分解过程，从而可以更贴近实际情况。
此外我们还有一些电池材料设计方面的具体案例。比如，磷酸铁锂（LiFePO4）作为重要的动力和储能电池正极材料，相比于其他氧化物正极材料（层状氧化物、尖晶石氧化物），其具备着价格低廉、环境优化、安全系数高、循环稳定性强等优点。然而，磷酸铁锂也存在着充放电电压与能量密度较低等缺陷。为改善这些问题，研究发现通过锰掺杂磷酸铁锂或铁掺杂磷酸锰锂（LiMnPO4）形成磷酸锰铁锂（LiFexMn1-xPO4）可以有效提升材料的电化学性能。少数已经提高重视程度的锂电池企业关注的重点即为如何准确得到最佳铁锰配比。
若仅通过实验手段确定最佳铁锰配比，需要极长的实验周期与极高成本。相比之下，计算模拟能在理论上预测一定铁锰比下的磷酸锰铁锂的稳定性和电化学性能，从而节省开发成本，为实验制备做出指导。龙讯旷腾通过自身技术，快速精确地对不同铁锰配比下LiFexMn1-xPO4材料进行第一性原理计算分析，根据热力学稳定性和各项电化学性质（电压、离子电导率、电子电导率等），准确得到了最佳铁锰配比，并与实验数据十分吻合。且为后续将进行的其他研究（例如掺杂元素筛选）建立准确的基体数据。
关于钠含量计算的解决方案我们也有一个不错的案例。三元层状正极材料NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2由于较低的价格、较高的容量及良好的容量循环稳定性，是目前钠电池正极材料研究热门之一。NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2结构和部分性质类似于三元层状锂电池正极材料，不同的是，脱/嵌钠过程中其结构会发生相变，使得对其充放电过程的研究比锂电池更为复杂。目前已有几家锂电池企业向龙讯旷腾寻求帮助，希望能够通过模拟计算快速高效地得到材料O3/P3两相的相变点及材料充放电电压平台。
龙讯旷腾使用PWmat，通过第一性原理计算脱Na过程中不同相（O3/P3等）的形成能凸包图，得到O3/P3两相相变点含Na量。依据凸包图结果计算充电过程电压随脱Na量变化及相变点对应电压。得到的相变点与电压曲线均与实验符合良好，为后续掺杂计算提供可靠参考。除此之外，通过本项目公司开发出一套针对层状钠电池正极计算的完整流程（结构生成 → DFT计算 → 数据分析），普适于会随充放电发生相变的层状电池材料研究。
除了上述列举的几个典型案例，在新能源领域，下图中的热点问题我们也已经有落地的解决方案可供用户选择。
龙讯旷腾并不生产电池，我们希望帮助大家进行电池相关材料的优化。得益于我们在计算方法和软件功能开发方面的技术优势以及对行业应用的理解，我们已经与十多家锂电池行业头部企业进行合作。我们可以为客户提供计算模拟仿真工具、为企业做项目服务、帮助企业建立计算能力（包括软件功能实现和计算流程）、为企业定制化开发计算工具等等。这些都意味着我们开发的产品以及相应的服务能够解决很多实际场景中的问题，更多讯息欢迎到我们的官网查看。另外，我们新建设了资源中心平台，方便更多工业领域的伙伴学习探索。
谢谢大家的聆听，我的报告就到这里。
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