本發(fā)明涉及分子模擬，尤其是涉及一種基于分子模擬識(shí)別凝膠聚合物電解質(zhì)離子傳輸方式的算法。

背景技術(shù)：

1、隨著新能源汽車的興起，市場(chǎng)對(duì)高性能電池的需求逐漸提高。電解質(zhì)作為影響電池性能的關(guān)鍵組成部分，對(duì)電池的發(fā)展有重要作用。由于溶劑的易揮發(fā)性和易泄露性，傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)具有易燃易爆的風(fēng)險(xiǎn)。相反，得益于聚合物分子對(duì)溶劑分子的親和性，凝膠聚合物電解質(zhì)具有不易泄露的特點(diǎn)。因此，凝膠聚合物電解質(zhì)有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)成為下一代綠色電解質(zhì)，并為綠色電池的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

2、然而，由于人們對(duì)凝膠聚合物導(dǎo)電機(jī)理有限的認(rèn)知，目前電導(dǎo)率改善的技術(shù)方向比較模糊，凝膠聚合物電解質(zhì)的電導(dǎo)率仍處于較低水平，這限制著凝膠聚合物電解質(zhì)的應(yīng)用和發(fā)展。在微觀上，電解質(zhì)的電導(dǎo)率由離子傳輸方式?jīng)Q定。不同的離子傳輸方式所面臨的環(huán)境阻力不一樣，因此不同傳輸方式本身具備的運(yùn)動(dòng)速度不一樣。比如，離子在溶液環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的速度通常比在固體環(huán)境中的速度更快，這是因?yàn)殡x子通常攜帶周圍的極性分子一起運(yùn)動(dòng)，而固體環(huán)境本身的運(yùn)動(dòng)性差，結(jié)構(gòu)阻力更強(qiáng)。總的來(lái)說，離子傳輸方式的研究有助于深入理解凝膠聚合物電解質(zhì)的導(dǎo)電機(jī)制，并為凝膠聚合物電解質(zhì)電導(dǎo)率的調(diào)節(jié)提供明確的方向。

3、目前，凝膠聚合物電解質(zhì)中的離子傳輸方式尚不清楚。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推測(cè)，由于溶劑分子的存在，凝膠聚合物電解質(zhì)中的離子傳輸方式可能與傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)中的離子傳輸方式相似。也有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推測(cè)，由于聚合物分子的存在，凝膠聚合物電解質(zhì)中的離子傳輸方式可能與全固態(tài)聚合物電解質(zhì)中的離子傳輸方式相似。受限于宏觀實(shí)驗(yàn)的研究尺度，這兩種觀點(diǎn)都沒有得到廣泛且直接的驗(yàn)證和研究。盡管實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段近年來(lái)不斷發(fā)展進(jìn)步，為凝膠聚合物電解質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)表征提供了前所未有的視角，但動(dòng)態(tài)的離子傳輸過程仍無(wú)法直接研究，亟需引入一種新的技術(shù)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明旨在提出一種基于分子模擬識(shí)別凝膠聚合物電解質(zhì)離子傳輸方式的算法，先利用分子動(dòng)力學(xué)模擬凝膠聚合物電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征和離子動(dòng)態(tài)演變過程，再通過計(jì)算分子原子間相互作用來(lái)描述粒子動(dòng)態(tài)變化過程，讀取并分析分子動(dòng)力學(xué)軌跡來(lái)研究各種傳輸方式。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種基于分子模擬識(shí)別凝膠聚合物電解質(zhì)離子傳輸方式的算法，該算法包括如下步驟：

4、1）模型的構(gòu)建

5、利用gromacs軟件構(gòu)建凝膠聚合物電解質(zhì)模型，模型中包括溶劑分子、聚合物和導(dǎo)電鹽；

6、2）軌跡文件的輸出

7、把平衡好的凝膠聚合物電解質(zhì)模型放置在外電場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行非平衡模擬，并輸出記錄著各原子位置信息的結(jié)構(gòu)文件；

8、3）傳輸方式的識(shí)別

9、先對(duì)所有的原子和分子進(jìn)行連續(xù)編號(hào)，然后分析并獲得每一幀中陽(yáng)離子周圍0.3-0.4nm范圍內(nèi)原子和分子的總序號(hào)，比較陽(yáng)離子周圍的原子和分子的前后兩幀的變化，包括陽(yáng)離子周圍聚合物狀態(tài)、陽(yáng)離子周圍分子序列號(hào)、陽(yáng)離子周圍原子序列號(hào)，進(jìn)而確定離子傳輸方式。

10、進(jìn)一步，離子傳輸方式包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)屬性、液態(tài)電解質(zhì)屬性和過渡屬性。

11、進(jìn)一步，步驟3）的具體判斷方法為：

12、首先根據(jù)陽(yáng)離子周圍聚合物狀態(tài)判斷傳輸屬性，若前后兩幀陽(yáng)離子周圍都存在聚合物，則為固態(tài)聚合物電解質(zhì)屬性，若前后兩幀陽(yáng)離子周圍都不存在聚合物，則為液態(tài)電解質(zhì)屬性，若前后兩幀陽(yáng)離子周圍只有一幀存在聚合物，則為過渡屬性；

13、然后判斷原子、分子變化，過比較陽(yáng)離子周圍分子序列號(hào)和陽(yáng)離子周圍原子序列號(hào)，進(jìn)一步判斷周圍的聚合物分子、聚合物原子、溶劑分子是否變化，從而判斷出具體的傳輸方式。

14、進(jìn)一步，判斷傳輸屬性的具體方法為：

15、當(dāng)陽(yáng)離子周圍有聚合物分子存在時(shí)，令p=1，反之p=0；

16、當(dāng)，說明前后兩幀都有聚合物，則陽(yáng)離子傳輸方式表現(xiàn)為固態(tài)聚合物電解質(zhì)屬性；

17、當(dāng)，說明前后兩幀都沒有聚合物，則陽(yáng)離子傳輸方式表現(xiàn)為液態(tài)電解質(zhì)屬性；

18、當(dāng)，說明前后兩幀中有一幀有聚合物，則陽(yáng)離子傳輸方式表現(xiàn)過渡屬性。

19、進(jìn)一步，在固態(tài)聚合物電解質(zhì)屬性下，陽(yáng)離子周圍聚合物分子序號(hào)記為p_resid，前后時(shí)刻陽(yáng)離子周圍聚合物分子序號(hào)相同，則，反之，；陽(yáng)離子周圍聚合物原子序號(hào)記為p_serial，前后時(shí)刻陽(yáng)離子周圍聚合物原子序號(hào)相同，則，反之，；

20、在液態(tài)電解質(zhì)屬性下，陽(yáng)離子周圍溶劑分子序號(hào)記為s_resid，前后時(shí)刻陽(yáng)離子周圍溶劑分子序號(hào)相同，則，反之，；陽(yáng)離子周圍存在溶劑分子，則，反之，；通過s_resid判斷陽(yáng)離子是否攜帶周圍的溶劑分子一起運(yùn)動(dòng)。

21、進(jìn)一步，當(dāng)時(shí)：

22、，，為沿鏈傳輸模式；此模式中，陽(yáng)離子沿著聚合物鏈移動(dòng)，因此陽(yáng)離子前后時(shí)刻都位于聚合物分子附近，p2=p1=1，前后時(shí)刻p_resid相同，p_serial卻在不斷變化；

23、，，為協(xié)同傳輸模式；此模式中，陽(yáng)離子跟隨聚合物鏈一起移動(dòng)，p2=p1=1，前后時(shí)刻p_resid相同，p_serial也不變；

24、，，為橋接傳輸模式；此模式中，陽(yáng)離子通過吸附額外的聚合物鏈或脫附部分的聚合物鏈的方式移動(dòng)，p2=p1=1，前后時(shí)刻p_resid不同，但是p_resid存在重合部分；

25、，，為跳躍傳輸模式；此模式中，陽(yáng)離子通過從一條聚合物鏈段跳躍到另一條聚合物鏈段，p2=p1=1，前后時(shí)刻p_resid不相同，而p_resid也沒有任何重合部分。

26、進(jìn)一步，當(dāng)時(shí)：

27、，，為結(jié)構(gòu)傳輸模式；此模式中，陽(yáng)離子不攜帶周圍任何溶劑分子一起運(yùn)動(dòng)，因此陽(yáng)離子周圍沒有聚合物鏈，p2=p1=0，盡管陽(yáng)離子周圍存在溶劑分子，但s_resid不同，也沒有任何重合的部分；

28、，，為介質(zhì)傳輸模式；此模式中，陽(yáng)離子攜帶周圍的溶劑分子一起運(yùn)動(dòng)，因此陽(yáng)離子周圍沒有聚合物鏈，p2=p1=0，陽(yáng)離子周圍存在溶劑分子且溶劑分子序號(hào)不變；

29、，，為混合傳輸模式，此模式中，陽(yáng)離子只攜帶部分周圍的溶劑分子一起運(yùn)動(dòng)，因此陽(yáng)離子周圍沒有聚合物鏈，p2=p1=0，陽(yáng)離子周圍存在溶劑分子但溶劑分子序號(hào)只變化一部分。

30、進(jìn)一步，當(dāng)，其p2=1，p1=0，或者p2=0，p1=1，為跨界傳輸模式；此模式中，陽(yáng)離子在聚合物區(qū)域和溶液區(qū)域之間跳躍，因此陽(yáng)離子前后時(shí)刻中有且只有一個(gè)時(shí)刻會(huì)位于聚合物分子附近。

31、進(jìn)一步，聚合物為聚乙烯氧化物peo，聚合度為50，導(dǎo)電鹽為鋰鹽litfsi；

32、步驟2）中，外電場(chǎng)強(qiáng)度為3v/nm，非平衡模擬10ns。

33、進(jìn)一步，步驟1）的具體步驟為：按比例構(gòu)建體系，設(shè)置模擬參數(shù)，包括力場(chǎng)參數(shù)、分子間相互作用參數(shù)、溫度參數(shù)、壓強(qiáng)參數(shù)、長(zhǎng)程作用力參數(shù)和模擬時(shí)長(zhǎng)，之后依次進(jìn)行能量最小化、平衡模擬后得到穩(wěn)定模型。

34、更進(jìn)一步，步驟1）的具體步驟為：聚合物、溶劑和鹽分子的力場(chǎng)參數(shù)選擇gaff力場(chǎng)進(jìn)行設(shè)定，長(zhǎng)程作用力參數(shù)的截?cái)喟霃綖?.2?nm，溫度設(shè)置為300k，壓力控制在1bar左右，以模擬實(shí)驗(yàn)上合成凝膠聚合物電解質(zhì)時(shí)的溫壓條件；初始凝膠聚合物模型經(jīng)過能量最小化和npt預(yù)平衡模擬處理完成后，接下來(lái)循環(huán)執(zhí)行三次30?ns的模擬退火以加速分子混合和10ns的npt模擬以釋放構(gòu)型內(nèi)壓力，隨后進(jìn)行50?ns的npt系綜下的平衡模擬最終得到穩(wěn)定的凝膠聚合物電解質(zhì)構(gòu)型。

35、該算法最終通過編程語(yǔ)言c++實(shí)現(xiàn)并轉(zhuǎn)化為電腦可執(zhí)行程序。

36、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的基于分子模擬識(shí)別凝膠聚合物電解質(zhì)離子傳輸方式的算法具有以下優(yōu)勢(shì)：

37、本發(fā)明所述的基于分子模擬識(shí)別凝膠聚合物電解質(zhì)離子傳輸方式的算法結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬與算法分析，將分子動(dòng)力學(xué)模擬輸出的不利于肉眼直接觀察傳輸過程的坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可以讀取分析的數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步探索凝膠聚合物電解質(zhì)中離子傳輸方式的種類以及性能提供了有效手段。該算法的實(shí)施有助于從分子層面揭示凝膠聚合物電解質(zhì)的導(dǎo)電機(jī)制，可與當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)理論研究形成有效互補(bǔ)，并為凝膠聚合物電解質(zhì)電導(dǎo)率的調(diào)節(jié)提供明確的方向。