鎂離子電池 2+ 的強(qiáng)烈極化和緩慢的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)嚴(yán)重阻礙了MIBs的性能。為了解決這些問題，已經(jīng)提出了許多基于第一性原理計(jì)算的研究方案。 在此，吉林大學(xué)魏英進(jìn)教授、連如乾 等人綜述了對MIB的正極、負(fù)極和電解液材料獨(dú)特基本理解的第一性原理計(jì)算和建模進(jìn)展，對其熱力學(xué)性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)及與電化學(xué)性質(zhì)相關(guān)的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了全面討論。 DFT計(jì)算可以研究MIB的許多重要特性，特別是通過模擬Mg2+ 與電極之間的相互作用等性質(zhì)可以預(yù)測和分析電化學(xué)性能及其反應(yīng)機(jī)理，加速了新型電池材料的發(fā)展。Mg2+ 具有比Li+ 更高的電荷密度，這就要求材料具有更好的電子效應(yīng)以保證Mg2+ 插層過程中電子的快速重新分布。 另一方面，考慮到Mg2+ 的緩慢遷移，需要合理設(shè)計(jì)正極材料以提高M(jìn)g2+ 的擴(kuò)散效率。此外，防止電極/電解液界面發(fā)生不必要的化學(xué)反應(yīng)對于長期循環(huán)穩(wěn)定性是必要的。同時(shí)，電極與電解液之間的界面穩(wěn)定性也應(yīng)提高。
圖1. 尖晶石AB2 O4 中Mg2+ 遷移路徑的DFT計(jì)算 （ 1）隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，基于大量候選材料的高通量計(jì)算研究越來越流行，催生了一些專門針對電池材料的方法和數(shù)據(jù)庫，如固體電解質(zhì)的高通量篩選平臺，主要由材料數(shù)據(jù)庫、離子傳輸計(jì)算、電子結(jié)構(gòu)計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)四個(gè)模塊組成。 （2）一些重要的機(jī)制值得 研究。 為了提高電池的電化學(xué)性能，調(diào)節(jié)陽離子和陰離子組合的氧化還原化學(xué)有可能為開發(fā)更高工作電壓的正極材料提供可行的方法。 （3）應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化和改性Mg負(fù)極以減少或消除鈍化膜，促進(jìn)Mg 2+ 的快速傳輸。 通過基于第一性原理計(jì)算的電極材料晶體/電子結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和電極/電解液界面的優(yōu)化，最終將加速高容量、長循環(huán)壽命、高安全性的高性能MIBs的構(gòu)建。
圖2. Mg2+ 和線性醚溶劑的共插層DFT計(jì)算 Understanding Rechargeable Magnesium Ion Batteries via First-Principles Computations: A Comprehensive Review, Energy Storage Materials
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