锂离子电池离子液体电解质体系的MD模拟

锂电池因其较高能量密度受到学术界和工业界的广泛关注。电解液作为锂电池的一个关键组成，对锂电池性能具有十分重要的影响。离子液体是由有机阳离子以及有机或无机阴离子所组成的室温有机熔融盐，具有蒸气压低、熔点低、不易挥发、不易燃烧、导电性好、抗电化学氧化还原、电化学窗口宽、热稳定性高以及结构可调谐等特性，得到了广泛的研究与应用。

一   力场辅助工具-AuToFF

1.1 确定起始构型 确定双(氟磺酰)亚胺(FSI)阴离子结构，可选择点击AuToFF程序-离子液体模块进行2D建模（如图1），点击“ 生成3d结构视图 ”按钮即可3D显示。

图1.1.1  创建FSI分子结构

完成分子建模后，可以支持多种结构文件类型下载，包括.pdb、.mol、.mol2、.xyz

图1.1.2  下载结构文件

下载FSI分子的pdb结构文件如下：

同理，建立了THF分子结构如下：

图1.1.3  创建THF分子结构

THF分子的pdb结构文件如下：

同理，建立了TTE分子结构如下：

图1.1.4  创建TTE分子结构

TTE分子的pdb结构文件如下：

还建立了锂离子结构，锂离子的pdb结构文件如下：

1.2 选用适当力场和模拟软件 选择适当的力场是进行MD模拟的基础，可以快速地获得准确的模拟结果。针对离子液体FSI选择OPLS力场即可，确定原子类型。

图1.2.1  根据力场选择原子类型

注意： * 点击结构视图中原子可进行配置原子类型

1.3 生成拓扑文件 根据力场的选择即可生成拓扑文件的相关力场参数，包括LJ、键、键角、二面角参数，原子电荷。此外生成拓扑文件可支持多款计算软件，包括：GROMACS、LAMMPS、AMBER、Moltemplate、OpenMM、TINKER、CHARMM。下载的文件夹中除了力场拓扑文件之外还包含力场参数的文献来源。

图1.3.1  生成拓扑文件

注意:

* 点击下方显示标签按钮即可显示元素名称、原子ID、原子电荷。

* 用户也可通过 编辑 按钮进行自行修改力场参数信息。

二   模拟体系建模

2.1 构建体系

首先，创建模拟体系。通过Packmol软件，我们将离子液体的组成分子放入一个立方体的模拟盒子中。这个过程中立方体的盒子大小要略大于同等密度下离子液体所需要的体积，以保证有足够的空间使得离子液体分子能够随机的分布并且模拟可以快速平衡。将AuToFF创建并下载好每个组分的拓扑文件，然后把pdb文件拷贝到packmol文件夹，调用packmol程序生成模拟的盒子。Packmol输入文件model.inp如下：

运行 packmol < model.inp 可生成model.pdb文件，该文件包含了锂离子离子液体电解质模拟体系中所有原子的坐标，但缺少键、键角等拓扑结构信息。将得到的model.pdb导入到VMD显示如下：

图2.1.1  模拟体系初始构型

2.2 构建拓扑文件 拓扑文件是gromacs运行模拟所必需的文件，它提供了模拟体系中所有分子的拓扑结构、力场文件的引用、约束力参数……；拓扑文件必须包含三个层次：

参数级别：这一部分包括了力场设定

分子定义级别：这一部分包含了一个或多个分子对应的.itp文件。实际上，.itp 文件可以看做是 .top 文件分子定义级别（针对每单个分子）单独拿出储存的信息，它们形成了一个嵌套式的引用关系

体系级别：只包含体系的特定信息

锂离子离子液体电解质模拟体系的top文件model.top如下：

编辑：黄飞