バッテリー電解質溶媒のためのtrappe Forceフィールドの拡張

電解質製剤の最適化は、輸送特性（拡散係数、粘度）と誘電率を温度、塩濃度、溶媒組成の関数として予測する必要があるLi-/Na-Ionバッテリーの性能を改善するための鍵です。実験方法のコストが高く、電解質溶媒のために検証された統一された分子動力学力場の欠如により、より効率的で信頼性の高いシミュレーションモデルが緊急に必要です。ここでは、計算上効率的なTrappe United-Atom Forceフィールドは、炭酸塩溶媒と互換性があるように拡張され、電荷と二面体の可能性を最適化します。電解質溶媒、炭酸エチレン（EC）、エチレン炭酸塩（PC）、ジメチル炭酸塩（DMC）、ジエチル炭酸塩（DEC）、およびジメトキシエタン（DME）の特性を計算すると、密度の平均絶対誤差、自己の絶対誤差があることがわかります。拡散係数、誘電率、粘度、および表面張力は、対応する実験値の約15％です。結果は、全原子のcharmmおよびopls-aaフォースフィールドと好意的に比較され、少なくとも80％の計算パフォーマンスの改善を提供します。さらに、Trappeを使用して、これらの溶媒中のLIPF6塩の構造と特性とその混合物を予測します。ECとPCは、Li+イオンの周りに完全な溶媒和シェルを形成し、DMCの塩はチェーン様構造を形成します。最も貧しい溶媒では、DME、DMEはDMCよりも高い誘電率にもかかわらず球状クラスターを形成します。

Optimizing electrolyte formulations is key to improving performance of Li-/Na-ion batteries, where transport properties (diffusion coefficient, viscosity) and permittivity need to be predicted as functions of temperature, salt concentration and solvent composition. More efficient and reliable simulation models are urgently needed, owing to the high cost of experimental methods and the lack of united-atom molecular dynamics force fields validated for electrolyte solvents. Here the computationally efficient TraPPE united-atom force field is extended to be compatible with carbonate solvents, optimizing the charges and dihedral potential. Computing the properties of electrolyte solvents, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and dimethoxyethane (DME), we observe that the average absolute errors in the density, self-diffusion coefficient, permittivity, viscosity, and surface tension are approximately 15% of the corresponding experimental values. Results compare favorably to all-atom CHARMM and OPLS-AA force fields, offering computational performance improvement of at least 80%. We further use TraPPE to predict the structure and properties of LiPF6 salt in these solvents and their mixtures. EC and PC form complete solvation shells around Li+ ions, while the salt in DMC forms chain-like structures. In the poorest solvent, DME, LiPF6 forms globular clusters despite DME's higher permittivity than DMC.