[发明专利]电化学过程的多尺度多物理场模拟方法及应用

权利要求书

1.一种电化学过程的多尺度多物理场模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，通过动态数据建模的方式，建立电化学过程数据模型：包括量子电化学数据库、原子电化学数据库、分子电化学数据库、介观非平衡态电化学数据库和宏观电化学数据库；

S2，在电子尺度上，基于量子力学的密度泛函理论QDFT计算，从材料电子结构和能量信息出发，获取所需电化学系统的微观物理化学性质；

S3，在原子尺度上，使用分子模拟进行更加细致的研究，运用经典力学或者量子力学的方法来研究这些分子的运动规律，从而最终得到体系的宏观性质和基本规律，为介观或宏观模拟提供参数；

S4，在分子尺度上，建立电化学系统的材料表界面模型，通过经典密度泛函理论CDFT研究电化学系统电极-电解液界面平衡及非平衡态性质，获得系统平衡态的微观结构和宏观热力学性质；通过联合密度泛函理论JDFT，利用QDFT和CDFT分别处理溶质和溶剂，自洽高效的解决电极-电解液界面问题；通过将体系总自由能最小化，得到平衡状态下电极-电解液界面的性质；为介观多物理场模拟提供初始分布状态；

S5，在介观尺度上，利用多物理场耦合的动态密度泛函理论DDFT处理能量储存和转化系统中的不可逆的传质过程：以化学势驱动密度分布，考虑外加电势、速度、温度、反应以及限域效应的影响；针对实际电化学系统，反应和传递耦合问题普遍存在，从通用的菲克定律出发，基于唯象理论和线性非平衡态热力学理论，解决反应和传递耦合问题，快速的分析和解释在大量不同类别的催化剂上以及在不同的操作条件下的反应传质过程；

S6，在宏观尺度上，对于电化学反应器与电堆设计，涉及电化学系统热效应计算：使用焦耳热与可逆热方程计算电池内部产热量，再通过耦合计算流体力学、热对流与热传递方程，模拟宏观电化学系统的热传导过程，指导电化学器件设计；

S7，基于多尺度多物理场模拟结果，对电化学过程中的参数与得到的性能数据进行定性、定量分析，并进行分类与归纳整理；建立各参数与电化学系统性能的关联模型，通过结果与性能预测来反馈调节、优化电化学过程的各项参数；

S1中，所述量子电化学数据库中包括能量信息以及电子结构信息；所述原子电化学数据库中包括至少含有原子轨迹、键级信息、化学反应、运动规律信息的原子层面结构信息；所述分子电化学数据库中包括至少含有粒子的密度分布、双电层结构、能量密度、固液界面性质信息的分子层面结构信息；所述介观非平衡态电化学数据库中包括至少含有时间依赖的粒子分布、外加电势、速度、温度、反应以及限域效应信息的介观非平衡态结构信息；宏观电化学数据库中包括至少含有焦耳产热量、反应产热量、流体力学性质信息的宏观结构信息，

S3中包括如下步骤：

S3.1，首先考虑一个由N个分子构成的系统，系统的能量由系统中所有分子的动能和系统的总势能组成，分子的初始动能根据Boltzmann分布按目标温度随机指定每个分子的初始运动速度，对于系统的总势能，选择合适的力场，根据该力场中成键和非成键能量的表达形式对每个分子所受的力以及分子间的相互作用能进行计算；

S3.2，根据牛顿运动学计算出各分子的加速度，对时间积分，得到经过一个指定的积分步长t后各个分子的新坐标和速度，完成分子一个步长的移动；重复上述步骤，经过一段时间的积分步数后，每个分子就有了各自的运动轨迹，并通过设定时间间隔来对轨迹进行保存；模拟完成后根据运动轨迹对系统的结构、热力学、动力学、能量、力学方面进行分析，最终得到要求解的物理量的计算结果；

S5中包括如下步骤：

利用多物理场耦合的动态密度泛函理论DDFT处理能量储存和转化系统中的不可逆的传质过程：DDFT包含连续性方程与菲克定律

其中是“流”，化学势μ的梯度是热力学“力”，是粒子密度分布，而Γ＝D/k_BT是迁移率，化学势μ分为本征项μ^int和外场项μ^ext；本征项μ^int取决于系统的Helmholtz自由能包括理想自由能F^id和剩余自由能F^exc；

通量由化学势驱动，还需考虑外加电势、速度、温度、反应以及限域效应，加入外场项的通量为其中为单离子传热系数，

外加电势项为上式右侧的第二项，再耦合Poisson方程来实现：温度项为上式右侧的第三项，再耦合热方程来实现：考虑速度场与反应的连续性方程如下所示：速度场为上式右侧的第二项，再耦合Navier-Stokes方程来实现：反应则通过更改源项R_i来实现，

其中，ε为介电常数，κ为导热系数，I为电流，E为电势，c_p为热容，

u为流速，R_i为源项，P为压强，η为黏度系数；

对于化学势如果只考虑本征项中的理想自由能以及外场项中的外加平均电势，进一步耦合Poisson方程,可以得到上述的PNP方程，而表面电极反应可以用Buter-Volmer方程i＝i₀exp[(α_anFη₁)/(RT)]-exp[-(α_cnFη₁)/(RT)]表示，其中i为电流密度，i₀为交换电流密度，α_a为阳极转换系数，α_c为阴极转换系数，n为反应参与电子数，F为法拉第常数，η₁为过电势；

利用PNP-BV方程去解决电催化体系中的传递和反应的耦合问题，如果再考虑本征项μ^int中剩余自由能F^exc的体积排斥项F^hs[ρ]，就可以得到修正的通量表达式其中a为离子直径。