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申请/专利权人：湘潭大学

摘要：本发明公开了一种评估水系碱性离子电池电解液中水合氢键弛豫性能的方法，本发明所述方法以水系碱性电解液为研究对象，基于电荷注入理论、耦合氢键协同弛豫理论和分子轨道理论，利用第一性原理计算和分子动力学方法模拟阴阳离子注入水体形成的电解液中离子诱导水合层形成及氢键弛豫行为，评估水系碱性离子电解液中的水合氢键弛豫性能，为水系碱性电解液进行设计时提供理论依据和方法支持。

主权项：1.评估水系碱性离子电池电解液中水合氢键弛豫性能的方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1：构建与优化离子结构模型：1构建离子模型：溶质YX溶于水后生成X-、Y+阴阳离子：YX+H2O→Y++X-+H2O；分别构建对应的离子结构模型；2优化离子模型：基于DFT的第一性原理计算对1得到的离子模型进行优化，获得优化后的离子结构模型；3离子稳定占位选择：计算离子在水溶液中四面体中心、三角形上方和三角形内这三种不同占位位置的体系总能量，能量最低即为最稳定结构；步骤2：构建与优化离子水合胞模型：1构建离子水合胞模型：构建包含64个水分子的纯水模型，将步骤1中优化后的离子模型替换纯水模型中的部分单元以嵌入其中，并进行动力学模拟获得离子水合胞模型；2优化离子水合胞模型：采用无色散校正的PW91泛函和包含色散校正的OBS-PW泛函分别对1获得的离子水合胞模型进行优化，获得后优化后的离子水合胞模型；3水合胞中氢键弛豫行为分析：①水合氢键几何：获得不同离子水合胞内水分子的键长和键角，对比离子类型和浓度诱导的弛豫变化；②水合胞几何：获得各种离子水合胞的尺寸和浓度引起的离子配位数变化，对比离子类型和浓度对水合层氢键极化作用的差异；步骤3：构建与优化水系碱性电解液结构模型：1构建水系碱性电解液结构模型：根据步骤1和步骤2构建的离子结构模型和水合胞结构模型，根据水系碱性电解液浓度计算摩尔比并参考溶液密度，构建至少包含1000个水分子的电解液溶液模型作为动力学盒子；在构建动力学盒子时，首先复制1000份优化后的水分子模型形成初始水盒子，再将步骤2优化后的水合胞模型嵌入其中，设置边界并进行初步动力学模拟，以保证溶液的电中性，并获得平衡相模型；2优化水系碱性电解液结构模型：基于DFT的第一性原理计算对1构建的平衡相模型进行优化，获得优化后的优化水系碱性电解液结构模型；3水系碱性电解液中的氢键弛豫分析：①水合氢键几何：获得不同浓度离子水溶液的键长和键角变化，分析溶液整体氢键网络的弛豫情况；②氢键振频：获得离子水溶液的声子振动谱，提纯O:H—O氢键H—O共价键和O:H非键双段的特征频率，基于振频变化分析氢键各分段键长、键强的变化情况；③电子轨道态密度：获得溶液中单个水合胞内水分子的电子态密度，对比独立水分子的电子轨道情况，分析水合引起的氢键涉及原子与分子的态密度演化及造成的氢键几何和强度变化的关联。

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