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Angew. Chem. :深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)的介觀熱力學(xué)模型用于描述電極/電解液界面2025-03-31
電極/電解質(zhì)界面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)直接影響到許多電化學(xué)能量儲存與轉(zhuǎn)換過程的性能。電解質(zhì)在帶電界面附近的分布十分復(fù)雜,界面處的離子、電荷分布呈現(xiàn)出明顯的非均勻性,這一復(fù)雜的界面結(jié)構(gòu)通常被稱為雙電層?(EDL),準(zhǔn)確描述其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對于理解和優(yōu)化電化學(xué)過程至關(guān)重要

然而,現(xiàn)有的建模方法不能很好地同時描述微觀尺度的離子相互作用與宏觀尺度的外場效應(yīng),特別是在處理復(fù)雜條件下的界面問題時,難以兼顧準(zhǔn)確性與計(jì)算效率。

最近,華東理工大學(xué)劉洪來教授和練成教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)的介觀熱力學(xué)模型 (DeepMT model),利用化學(xué)勢來兼顧電解質(zhì)的微觀描述和外場效應(yīng)的宏觀影響,并引入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確預(yù)測電極/電解質(zhì)界面的離子分布和熱力學(xué)性質(zhì)。

 

 

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該介觀熱力學(xué)模型的核心是化學(xué)勢,以化學(xué)勢驅(qū)動密度分布的時空演變。這里考慮體系的化學(xué)勢由理想項(xiàng)、過剩項(xiàng)和外場項(xiàng)三部分組成,過?;瘜W(xué)勢描述離子間的復(fù)雜相互作用,外勢考慮壁面、電場等外場的作用。而過剩化學(xué)勢又可分解為硬球排斥、庫倫相互作用、靜電關(guān)聯(lián)等不同微觀相互作用的貢獻(xiàn)。基于此,該模型能夠兼顧微觀分子特性和宏觀外場,這對于獲得更為精細(xì)的雙電層結(jié)構(gòu)十分關(guān)鍵。

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低濃度下的實(shí)際雙電層結(jié)構(gòu)趨近于Gouy-Chapman-Stern (GCS) 模型,在高的離子關(guān)聯(lián)性(例如靜電效應(yīng)、空間排斥效應(yīng)增強(qiáng))下,緊密層與擴(kuò)散層的邊界變得模糊。隨著電極電勢、體相濃度和離子尺寸的增加,離子呈現(xiàn)出振蕩分布,表明此時對界面電場的屏蔽不僅取決于靠近電極表面的部分離子,還依賴于電解質(zhì)內(nèi)部整體離子的分布特性。利用訓(xùn)練好的由多個全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成的DeepMT模型框架,預(yù)測離子分布、表面吸附、電荷密度和微分電容等界面性質(zhì),與經(jīng)典密度理論 (CDFT) 的計(jì)算結(jié)果符合得很好,但計(jì)算效率快了幾個數(shù)量級,證明了DeepMT模型的準(zhǔn)確、高效。

總之,該工作提供了一種電化學(xué)界面的經(jīng)典熱力學(xué)理論與人工智能算法結(jié)合的方法。最大優(yōu)點(diǎn)是在介觀尺度下,精確且高效地解得雙電層結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

文信息

Deep Neural Network Enhanced Mesoscopic Thermodynamic Model for Unlocking the Electrode/Electrolyte Interface

Dr. Haolan Tao,?Sijie Wang,?Prof.?Dr. Honglai Liu,

Prof. Cheng Lian

文章的第一作者是華東理工大學(xué)博士后陶浩蘭和博士生王思潔

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202418447

 

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