本發(fā)明涉及液流電池模擬領(lǐng)域，具體涉及基于分子動(dòng)力學(xué)的鐵鉻液流電池電解液soc變化模擬方法。

背景技術(shù)：

1、液流電池因其具有高安全性、循環(huán)壽命長(zhǎng)、設(shè)計(jì)靈活等突出優(yōu)勢(shì)，是業(yè)界公認(rèn)最適于建造大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的一種儲(chǔ)能組件,并在商業(yè)化應(yīng)用中取得了重大進(jìn)展。其中，鐵鉻液流電池，作為最早出現(xiàn)的一種液流電池技術(shù)，采用價(jià)格低廉的金屬鐵和鉻做為活性物質(zhì)，有望成為高性價(jià)比的儲(chǔ)能裝備。

2、電解液是鐵鉻液流電池儲(chǔ)存能量的核心材料，而電極/電解液界面的反應(yīng)特性，直接影響并決定了電池的性能。soc是衡量電池容量的關(guān)鍵指標(biāo)，受電解液物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)變化的影響較大，通過(guò)建立鐵鉻液流電池電解液模擬模型能有效的得到電解液中分子、離子間的構(gòu)成關(guān)系，預(yù)測(cè)電解液的電化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而優(yōu)化電解液組成，將有利于提升鐵鉻液流電池的功率、容量以及穩(wěn)定性。

3、分子動(dòng)力學(xué)方法是基于經(jīng)典牛頓運(yùn)動(dòng)方程以及原子之間相互作用勢(shì)，對(duì)每個(gè)粒子的速度和受力進(jìn)行牛頓運(yùn)動(dòng)方程數(shù)值積分，對(duì)微觀系統(tǒng)的力和熱性質(zhì)，以及動(dòng)力學(xué)規(guī)律都有較為準(zhǔn)確的近似表達(dá)。分子動(dòng)力學(xué)模擬具有實(shí)驗(yàn)成本低、安全性高以及可以實(shí)現(xiàn)通常條件下較難或者無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，能夠有效的探索鐵鉻液流電池電解液中分子、離子間的復(fù)雜關(guān)系，精確計(jì)算出不同soc下電解液的各種性質(zhì)與參數(shù)。而且目前針對(duì)鐵鉻液流電池電解液的模擬較少，相應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬模型也未被建立。

4、因此，本領(lǐng)域的研究人員致力于開(kāi)發(fā)出一種基于分子動(dòng)力學(xué)的鐵鉻液流電池電解液soc變化性質(zhì)的模擬與分析方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于現(xiàn)有鐵鉻液流電池電解液分子動(dòng)力學(xué)模擬的研究較少，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了基于分子動(dòng)力學(xué)的鐵鉻液流電池電解液soc變化模擬方法，該模擬方法通過(guò)建立不同soc下鐵鉻液流電池電解液模型，構(gòu)建了特定溫度下不同soc的鐵鉻液流電池電解液的分子動(dòng)力學(xué)模型，從擴(kuò)散系數(shù)、配位數(shù)、粘度和密度等方面論證了該模型的可靠性，能有效的得到電解液中分子、離子間的構(gòu)成關(guān)系，預(yù)測(cè)電解液的電化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而優(yōu)化電解液組成，有利于提升鐵鉻液流電池的功率、容量以及穩(wěn)定性，通過(guò)基于分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)計(jì)算與分析電解液隨soc變化時(shí)物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的變化，準(zhǔn)確探究了soc對(duì)電解液各物化性質(zhì)的影響，對(duì)于后續(xù)優(yōu)化鐵鉻液流電池電解液并提高鐵鉻液流電池的性能具有指導(dǎo)意義。

2、為實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)效果，采用如下技術(shù)方案：

3、基于分子動(dòng)力學(xué)的鐵鉻液流電池電解液soc變化模擬方法，包括以下步驟：

4、步驟s1：建立基于分子動(dòng)力學(xué)的鐵鉻液流電池電解液分子動(dòng)力學(xué)模型，電解液應(yīng)包含亞鐵離子fe2+，三價(jià)鐵離子fe3+，二價(jià)鉻離子cr2+，三價(jià)鉻離子cr3+，氯離子cl-和氫離子h+，溶劑為水h2o；

5、使用packmol軟件構(gòu)建亞鐵離子（fe2+）、三價(jià)鐵離子（fe3+）、二價(jià)鉻離子（cr2+）、三價(jià)鉻離子（cr3+）、水分子（h2o）、氫離子(h+)、氯離子(cl-)模型；

6、亞鐵離子、三價(jià)鐵離子、二價(jià)鉻離子和三價(jià)鉻離子水溶液模型在構(gòu)建時(shí)距離約束容差選取2??，原子類型選取為?pdb格式。

7、步驟s2：基于所研究的鐵鉻液流電池電解液，選擇合適的模型勢(shì)能參數(shù)分配在體系粒子中，模型勢(shì)能參數(shù)選自rebo、reaxff、amber?iod、tip4p和tip4p-ew勢(shì)函數(shù)中的一種或多種；

8、步驟s3：構(gòu)建含有fe2+和fe3+、cr3+和cr2+、鹽酸hcl和水的電解液分子模擬體系，其中fe2+、fe3+和cr3+、cr2+的數(shù)量分別根據(jù)不同的soc進(jìn)行設(shè)置；

9、根據(jù)soc確定電解液中亞鐵離子、三價(jià)鐵離子、二價(jià)鉻離子和三價(jià)鉻離子的數(shù)量，并利用步驟s1中得到的模型通過(guò)moltemplate軟件構(gòu)建基于分子動(dòng)力學(xué)的鐵鉻液流電池電解液模型；

10、步驟s4：設(shè)置進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬的系綜以及邊界條件；

11、步驟s5：對(duì)鐵鉻液流電池電解液分子動(dòng)力學(xué)模擬體系在高溫下進(jìn)行等容系綜nvt平衡模擬并輸出結(jié)果文件，而后在等溫等壓系綜npt下設(shè)置溫度，以能量和密度平衡為目標(biāo)進(jìn)行模擬，輸出結(jié)果文件；

12、步驟s6：依據(jù)結(jié)果文件在等溫等壓系綜npt下計(jì)算每個(gè)體系的自擴(kuò)散系數(shù)，在微正則系綜nve中進(jìn)行電解液體系粘度的計(jì)算；

13、步驟s7：原子運(yùn)行軌跡采用visual?molecular?dynamics可視化軟件vmd進(jìn)行處理，計(jì)算離子和水的原子徑向分布和配位情況；

14、進(jìn)一步的，所述步驟s1中鐵鉻液流電池電解液分子動(dòng)力學(xué)模型采用packmol和moltemplate軟件建立，數(shù)據(jù)文件中包含模擬立方體盒子的邊長(zhǎng)、原子的初始坐標(biāo)、各原子之間的鍵角和二面角信息。

15、進(jìn)一步的，所述步驟s3中soc選擇0%、25%、50%、75%、100%，設(shè)定fe2+和fe3+數(shù)量比為100:0時(shí)soc為0%。

16、具體為：soc為0%時(shí)，二價(jià)鐵離子與三價(jià)鐵離子數(shù)量比為100:0，二價(jià)鉻離子與三價(jià)鉻離子數(shù)量比為0:100；soc為25%時(shí)，二價(jià)鐵離子與三價(jià)鐵離子數(shù)量比為75:25，二價(jià)鉻離子與三價(jià)鉻離子數(shù)量比為25:75；soc為50%時(shí)，二價(jià)鐵離子與三價(jià)鐵離子數(shù)量比為50:50，二價(jià)鉻離子與三價(jià)鉻離子數(shù)量比為50:50；soc為75%時(shí)，二價(jià)鐵離子與三價(jià)鐵離子數(shù)量比為25:75，二價(jià)鉻離子與三價(jià)鉻離子數(shù)量比的比例為75:25；soc為100%時(shí)，二價(jià)鐵離子與三價(jià)鐵離子數(shù)量比為0:100，二價(jià)鉻離子與三價(jià)鉻離子數(shù)量比的比例為100:0。

17、進(jìn)一步的，所述步驟s4中分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算采用lammps軟件進(jìn)行；所述步驟s5中對(duì)鐵鉻液流電池電解液分子動(dòng)力學(xué)模擬體系在高溫下進(jìn)行等容系綜nvt平衡模擬采用三維周期性邊界條件，時(shí)間步長(zhǎng)為0.1?fs，水分子采用tip4p-ew力場(chǎng)模型，使用fix?shake命令固定水分子的鍵角和鍵長(zhǎng)；所述進(jìn)行等容系綜nvt平衡模擬中長(zhǎng)程作用力通過(guò)pppm方法進(jìn)行求解；平衡溫度為1000k，平衡時(shí)間為10ps。

18、進(jìn)一步的，所述步驟s5中等溫等壓系綜npt使用noose-hoover恒溫器和恒壓器退火的體系目標(biāo)溫度設(shè)置為330k并進(jìn)行了200ps的平衡，溫度阻尼參數(shù)為100?fs，壓力阻尼參數(shù)為100?fs，并輸出體系的密度。

19、進(jìn)一步的，所述步驟s5中等溫等壓系綜npt下計(jì)算每個(gè)體系的自擴(kuò)散系數(shù)，使用eistein方法，平衡溫度為330k，平衡時(shí)間為40ps；采用三維周期性邊界條件，時(shí)間步長(zhǎng)為0.01?fs，水分子采用tip4p-ew力場(chǎng)模型，使用fix?shake命令固定水分子的鍵角和鍵長(zhǎng)。

20、進(jìn)一步的，所述步驟s6中在微正則系綜nve中進(jìn)行電解液體系粘度的計(jì)算，采用green-kubo方法，平衡溫度為330k，平衡時(shí)間為1000ps，采用三維周期性邊界條件，時(shí)間步長(zhǎng)為0.?1?fs，水分子采用tip4p-ew力場(chǎng)模型，使用fix?shake命令固定水分子的鍵角和鍵長(zhǎng)。

21、進(jìn)一步的，所述步驟s6中自擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算公式如下：

22、；

23、其中，是粒子在時(shí)間t時(shí)的位置向量；d為粒子自擴(kuò)散系數(shù)；t為模擬時(shí)間。

24、進(jìn)一步的，所述步驟s6中電解液體系粘度計(jì)算公式如下：

25、；

26、其中，為玻爾茲曼常數(shù)，為模擬模型體積，為應(yīng)力張量的非對(duì)角線分量，為電解液體系粘度，t為電解液模擬溫度，t0為模擬開(kāi)始時(shí)間，t為模擬的總時(shí)間。

27、進(jìn)一步的，所述步驟s7中配位情況計(jì)算公式如下：

28、；

29、其中，n為配位數(shù)，為粒子的數(shù)密度，為中心粒子半徑，為指定粒子對(duì)中心粒子的徑向分布函數(shù)，其計(jì)算公式如下：

30、；

31、其中，為分子總數(shù)，為模擬的總時(shí)間，為設(shè)定的距離差，為間的分子數(shù)目；為中心粒子半徑，為粒子的數(shù)密度。

32、基于任一項(xiàng)所述的模擬方法，所述模型可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得密度、粘度進(jìn)行準(zhǔn)確性和可行性驗(yàn)證。

33、該模擬方法通過(guò)建立不同soc下鐵鉻液流電池電解液模型，構(gòu)建了特定溫度下不同soc的鐵鉻液流電池電解液的分子動(dòng)力學(xué)模型，從擴(kuò)散系數(shù)、配位數(shù)、粘度和密度等方面論證了該模型的可靠性，能有效的得到電解液中分子、離子間的構(gòu)成關(guān)系，預(yù)測(cè)電解液的電化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而優(yōu)化電解液組成，有利于提升鐵鉻液流電池的功率、容量以及穩(wěn)定性，通過(guò)基于分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)計(jì)算與分析電解液隨soc變化時(shí)物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的變化，準(zhǔn)確探究了soc對(duì)電解液各物化性質(zhì)的影響，對(duì)于后續(xù)優(yōu)化鐵鉻液流電池電解液并提高鐵鉻液流電池的性能具有指導(dǎo)意義。