[发明专利]电化学过程的多尺度多物理场模拟方法及应用

说明书

本发明提供了电化学过程的多尺度多物理场模拟方法及应用，通过动态数据建模的方式，首先建立电化学过程数据模型，而后在电子尺度、原子尺度上、分子尺度、介观尺度、宏观尺度上进行模拟，而后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。本发明涵盖电子尺度到宏观尺度的电化学过程模拟，对于不同计算尺度使用不同理论方法来达到计算的高准确性和高效性，能够高效地优化电化学系统的研究流程，降低实验的试错成本，提高电化学领域的研究、设计、生产效率等。

技术领域

本发明属于电化学模拟技术领域，具体涉及电化学过程的多尺度多物理场模拟方法及应用。

背景技术

能源存储与转换是目前人类能源相关技术中的重要课题，主要涉及电化学过程，因为电能是一种品位很高的能量，可以与其他形式能源互相转换。电化学能源存储与转换技术可以加强人类对能量的掌控，在一定程度上解决能源问题。电化学是研究两类导体(电子导体，如金属或半导体，以及离子导体，如电解质溶液)形成的接界面上所发生的带电及电子转移变化的科学，主要涉及能量的储存、释放和转化过程。

理论模拟方法可以对电化学领域物质性质进行模拟与预测，从理论和模拟的角度阐明物质能量转换和状态变化的规律。理论研究是在实验的基础上探索总结规律与原理，可以通过计算快速对所需研究体系的性质进行筛选和预测，也可以通过已知的理论工具去探索实验所无法涉及的领域，如纳米尺度的粒子运动与分布、电子结构对体系的影响。理论计算方法对电化学能源存储与转换领域的研究至关重要。通过对电化学材料、过程、和工艺的研究，以及计算机技术的辅助，可以快速且定量的解决关键问题。而且除了传统的经典热力学理论方法以外，分子与统计热力学也有着蓬勃发展，而今的研究已经更关注非平衡态热力学过程，并且其在电化学领域的发展速度十分迅猛。

目前，在理论模拟方面，电化学能源存储与转换领域的相关重要理论已经基本完善，但是对于实际电化学问题的解决缺乏连贯性与系统性，更加偏向于逐个攻破，问题的解决应该着力于进行多尺度多物理场的耦合计算，建立起电化学领域的理论模拟体系，可以在电子尺度、原子尺度、分子尺度、颗粒尺度、器件尺度等多尺度，并且耦合电场、速度场、温度场和反应等多物理场的效应，进行连贯的模拟计算。

发明内容

本发明的目的就是针对实际电化学问题的解决缺乏连贯性与系统性，提出一种能够连贯和系统的揭示电化学系统中的物质分布、反应机理、物理化学性质的多尺度多物理场模拟方法，建立一种电化学过程模拟的精准预测模型。为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

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；