桥接原子属性与锂-二氧化碳电池电化学性能的交互式多尺度建模

锂-二氧化碳电池因其高理论能量密度和 CO$_2$ 固定能力而值得期待， 依赖于放电/充电循环中 $Li_2CO_3$/C 的可逆形成。我们提出一种多尺度建模框架，将密度泛函理论 (DFT)、Ab-Initio 分子动力学 (AIMD)、经典分子动力学 (MD) 和有限元分析 (FEA) 集成在一起，来探讨原子和单元层面的属性。所考虑的锂-二氧化碳电池由锂金属阳极、离子液体电解质以及含 Sb$_{0.67}$Bi$_{1.33}$Te$_3$ 催化剂的碳布阴极组成。DFT 和 AIMD 采用 Kubo-Greenwood 公式确定 Sb$_{0.67}$Bi$_{1.33}$Te$_3$ 和 $Li_2CO_3$ 的电导率，并研究碳阴极催化剂上的 CO$_2$ 还原机制。MD 模拟计算了 CO$_2$ 扩散系数、$Li^+$ 迁移率、离子导电率以及 $Li^+$ solvation 结构。参数化于原子模拟数据的 FEA 模型再现了在 1 mA/cm$^2$ 处可获得的实验电压-容量曲线，并揭示了 $Li_2CO_3$/C 沉积、孔隙率以及 CO$_2$ 浓度随放电速率的时空变化。因此，$Li_2CO_3$ 可形成大且薄的薄膜沉积，导致在 0.1 mA/cm$^2$ 和 1 mA/cm$^2$ 时分别呈现分散且局部的孔隙变化。由于沉积过量的放电产物堵塞孔隙，限制了 CO$_2$ 向阴极内部的输运，容量从 81,570 mAh/g 在 0.1 mA/cm$^2$ 处指数下降到 1 mA/cm$^2$ 处的 6,200 mAh/g。因此，通过提高 CO$_2$ 输运、调节 $Li_2CO_3$ 沉积以及优化阴极结构，可改善锂-二氧化碳电池的性能。