近年來(lái)，隨著研究人員對(duì)鋰電池中熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)過(guò)程理解的不斷深入，加之計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的飛速發(fā)展，理論計(jì)算已被有效的應(yīng)用到電池材料的研究中。采用理論模擬的方法一方面可以對(duì)已有 的材料進(jìn)行模擬和計(jì)算，分析它們的微觀物理機(jī)理，對(duì)相應(yīng)的物理現(xiàn)象加以解釋，為實(shí)驗(yàn)提供理論根據(jù)；另一 方面能預(yù)測(cè)未知材料的性能，為實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方向。

 

（1）計(jì)算材料的電子結(jié)構(gòu)，分析其電子導(dǎo)電性；

 

（2）模擬離子在材料中擴(kuò)散，分析材料的離子導(dǎo)電性；

 

（3）通過(guò)模擬充、放電過(guò)程，計(jì)算脫/嵌鋰電位，分析材料的體積和結(jié)構(gòu)變化，以此來(lái)說(shuō)明它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和循環(huán)性；

 

（4）研究電極材料表面以及表面和電解液之間相互作用，探索電池材料失效的機(jī)理等。

 

自然界中有著成千上萬(wàn)的化合物，已經(jīng)研究過(guò)的只是少數(shù)。 對(duì)已存在物質(zhì)的基本性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，有可能從中篩選出可以用于鋰電池的新材料。對(duì)每種物質(zhì)的計(jì)算無(wú)論是從方法選擇、計(jì)算參數(shù)、數(shù)據(jù)輸入等方面都具有一定的相似性，因此采用自動(dòng)化的操作來(lái)調(diào)用軟件、輸入數(shù)據(jù)、 控制運(yùn)算步驟、分析計(jì)算結(jié)果就十分必要。這種高度自動(dòng)化的運(yùn)算過(guò)程稱為高通量計(jì)算。

 

高通量計(jì)算具有高效能、可并行、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，有助于我們?cè)O(shè)計(jì)一些篩選材料體系的方案。借助高通量的計(jì)算，可以有目標(biāo)的去發(fā)現(xiàn)一些新材料體系，同時(shí)研究這些新體系，進(jìn)一步增加對(duì)鋰電池材料的認(rèn)識(shí)，從而形成不斷深入的研究和開發(fā)過(guò)程，最終有助于我們更快的開發(fā)出能量密度高、安全性好、充放電速度快的高性能鋰電池材料。高通量方法在生物學(xué)、藥學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，例如高通量測(cè)序( High-Throughput Sequencing) 方法可以并行的合成多達(dá)50萬(wàn)條DNA分子并進(jìn)行序列測(cè)定；高通量篩選( High-Throughput Screening) 技術(shù)則通過(guò)分子水平和細(xì)胞水平的實(shí)驗(yàn)，以自動(dòng)化操作同時(shí)制 備、檢測(cè)成千上萬(wàn)的樣品，實(shí)現(xiàn)藥物分子的篩選。

在材料科學(xué)中，1995 年Science報(bào)道了X. -D. Xiang等人的開拓性文章，將薄膜沉積和物理掩膜技術(shù)相結(jié)合，在200 μm × 200 μm 大小的樣品上制備出一系列不同組分的BiSrCaCuO和YBaCuO超導(dǎo)薄膜， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料的組合制備和高通量篩選，為新材料的發(fā)現(xiàn)提供了一種新的思路和方法。（上圖，DOI: 10.1126/science.268.5218.1738）

 

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高以及高性能計(jì) 算機(jī)的普及，計(jì)算材料學(xué)獲得了迅速的發(fā)展，高通量的 概念也被運(yùn)用到材料計(jì)算中。

 

Nørskova課題組采用高通量的密度泛函計(jì)算，研究了60多種合金表面對(duì)氧的結(jié)合能力及其對(duì)甲烷化反應(yīng)CO + 3H2→CH4 + H2O的催化活性，設(shè)計(jì)出了Ni-Fe 合金催化劑。（DOI：10.1016/j.jcat.2006.02.016）

 

Ceder 研究組成員 Stefano Curtarolo 在 2006 年去了杜克大學(xué)并在那里建立了自己的實(shí)驗(yàn)室，他們?cè)O(shè)計(jì)了基于第一性原理的高通量計(jì)算流程AFLOW，獲得了150000 種合金的熱力學(xué)數(shù)據(jù)和13000 種無(wú)機(jī)化合物的電子結(jié)構(gòu)。（DOI：10.1016/j.commatsci.2012.02.002）

 

隨后，他們將該方法應(yīng)用于無(wú)機(jī)閃爍體的研究，計(jì)算了7439 種化合物的電子結(jié)構(gòu)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，試圖尋找新的輻射探測(cè)材料。（上圖，DOI：10.1021/co200012w）

 

在Nature Materials發(fā)表的一篇文章中，Stefano Curtarolo課題組還用使用此計(jì)算方法發(fā)現(xiàn)了28 種拓?fù)浣^緣體材料。（上圖，DOI：10.1038/nmat3332）

 

在鋰電池材料設(shè)計(jì)開發(fā)的過(guò)程中，采用高通量計(jì)算的理論方法始于Ceder研究組。

 

他們從2010年開始開展了稱之為“鋰離子電池材料基因工程”的研究。該方法通過(guò)對(duì)含聚陰離子X(jué)O4( X = P，S，As，Si) 的化合物中元素的替代，來(lái)產(chǎn)生新化合物，計(jì)算了其能量密度、電壓、脫Li后的體積變化等參數(shù)，據(jù)此篩選新材料。（下圖，DOI：10.1039/C1JM12216A）

 

他們從自然界存在的礦物Sidorenkite結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行元素替換，構(gòu)造出270多種組分和結(jié)構(gòu)，并計(jì)算其性能，從中篩選出了幾種材料：Li3Mn(CO3)(PO4)、Li2V(CO3)(PO4)、Li3V(CO3)(SiO4)等。

 

應(yīng)用類似辦法，他們還對(duì)含有( PmOn) 陰離子團(tuán)的各種過(guò)渡金屬與Li的化合物進(jìn)行了篩選。同時(shí)，在上述研究過(guò)程中，他們也初步發(fā)展了一套系統(tǒng)的性能計(jì)算、數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)分析的辦法。

 

日本的Tanaka研究組將第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，研究了LISICON類型材料的離子輸運(yùn)，通過(guò)將理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合，可有效預(yù)測(cè)LiO1/2-AOm/2-BOn/2體系不同組分的離子電導(dǎo)率，有助于加快固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)。（上圖，DOI：10.1002/aenm.201300060）

 

 

上述研究工作中所用到的高通量計(jì)算方法都具有圖1所示的共同特點(diǎn)。首先從外部的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇數(shù)據(jù)，產(chǎn)生可被計(jì)算軟件調(diào)用的輸入文件，并進(jìn)行計(jì)算得到材料相應(yīng)的性質(zhì)數(shù)據(jù)，運(yùn)算結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)以備進(jìn)一步的分析，獲得的新知識(shí)可擴(kuò)充原先的數(shù)據(jù)庫(kù)并有助于更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)選擇。

 

由此可見，形成并完善一套程序化的高通量計(jì)算流程，把各種計(jì)算軟件包、編寫的單一功能的計(jì)算程序或指令( 如輸入文件生成、材料性質(zhì)模擬、結(jié)果分析程序等) 和計(jì)算硬件設(shè)備等關(guān)聯(lián)起來(lái)，使得整個(gè)過(guò)程能夠自動(dòng)完成，是實(shí)現(xiàn)高通量計(jì)算提高整體效率的關(guān)鍵。

 

上面提到的由Curtarolo等人設(shè)計(jì)的AFLOW和由Ceder小組設(shè)計(jì)的計(jì)算流程均實(shí)現(xiàn)了晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)與第一性原理計(jì)算程序VASP的自動(dòng)調(diào)用功能，從而通過(guò)高通量計(jì)算獲得材料的形成能等熱力學(xué)數(shù)據(jù)以及電子結(jié)構(gòu)的信息。

 

但由于篩選不同類型的材料時(shí)所關(guān)注的性質(zhì)往往是不同的，希望調(diào)用的材料數(shù)據(jù)庫(kù)、模擬方法、分析方法都可能有所變化，所以針對(duì)各種不同的材料還需設(shè)計(jì)相應(yīng)軟件以實(shí)現(xiàn)特定的自動(dòng)化運(yùn)算流程。