基于缔合PDFT理论预测离子液体相行为的方法

本发明涉及计算机领域，尤其涉及基于缔合pdft理论预测离子液体相行为的方法。背景技术：1、随着新能源产业的快速发展，许多新型电化学储能装置被开发出来并得到广泛应用。电化学模块的性能与微界面结构密切相关。近年来，随着新型电解质和电极材料的出现，新型电化学界面不断涌现，与以往的微观界面相比，新型电化学界面更加复杂，并引发了更多问题。在受限空间和电场的双重作用下，复杂的电解质必然会在多孔电极材料或电池隔膜中表现出独特的相行为。电池中的许多缝隙只有几纳米宽，使用的电解质也不仅仅是普通离子，还可能是复杂的离子液体或高分子。当孔径与离子尺寸相当时，多孔电极中可能会出现一阶相变。不同的相行为会影响电化学设备的性能。然而，由于实验难以准确描述相行为，因此无法测量特殊条件下的相图。对于复杂流体，此类问题更为突出。因此，带电受限空间中复杂流体的相行为是一个难题。2、由于在受限空间等特殊环境中进行实验测量存在困难，一些学者开始利用理论工具探索复杂条件下的相行为。最经典的相平衡理论方法是mc模拟。早期的mc被广泛应用于复杂流体相平衡，包括高分子的气液平衡和液液平衡。后来，一些学者建立了复杂的分子热力学模型，并基于freed理论和flory-huggins理论建立了状态方程。他们还可以通过临界点的关联获得极好的相行为预测结果。后来，kondrat等人开始关注fdft(流体密度泛函理论)，并将其引入相行为研究，如离子液晶的相行为。之后，liu等人注意到了fdft的优势，开始对其进行改进，并将其应用于研究受限空间和非对称电解质的相行为。他们计算了许多相图，揭示了受限空间、电势、不对称等因素对相平衡的影响。然而，由于理论和计算程序的限制，这项工作只能处理简单的离子，对于实际应用中常用的离子液体来说过于简单。离子只能用单个硬球表示，一些电解质的链状结构无法体现，应用起来存在很大障碍。因此，迫切需要一种通用的分子热力学模型来准确、快速地描述各种复杂流体在空间受限、带电等情况下的分布和相行为。技术实现思路1、为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供基于缔合pdft(高分子密度泛函理论，polymer density functional theory)理论预测离子液体相行为的方法。2、为此，本发明提供基于缔合pdft理论预测离子液体相行为的方法，包括以下步骤：3、步骤s1，建立受限体系中不同链长离子液体的粗粒度模型，简化分子细节；4、步骤s2，选择重构参考模型及参数，通过修正过剩自由能，建立缔合pdft模型；5、步骤s3，采用缔合pdft模型计算离子液体在受限空间的分布及其密度曲线；6、步骤s4，基于缔合pdft理论导出气液两相各组分的巨势和化学势；7、步骤s5，根据气液两相各组分的巨势与化学势分别相等，寻找该温度下的相平衡点；8、步骤s6，根据上述步骤得到的不同温度下的相平衡点，得到相图。9、进一步的，步骤s1中，所述粗粒度模型中的离子液体以液态或气态或两种离子密度不同的液体的形式存在于狭缝孔隙中，其离子被粗化成相同大小的硬球，阴离子由不同长度的中性链段连接，离子液体尾链长度为0-2。10、进一步的，步骤s1中，阴离子、中性链段和阳离子的直径为0.5nm。11、进一步的，步骤s2中，使用msa(平均球面近似，mean-spherical approximation)和tpt(热力学扰动理论，thermodynamic perturbation theory)理论与pdft相缔合，以适用于复杂的链状流体，其中msa用于解释静电相关性，tpt理论用于表达带相反电荷的离子之间的相关性，并将链的连通性考虑在内，过剩自由能fex表示为下式：12、13、其中和分别代表归因于硬球斥力、直接库仑能、静电关联、链连接和离子缔合的过剩亥姆霍兹自由能；过剩化学势表示密度剖面的微小变化引起的过剩亥姆霍兹自由能的变化，表示为下式:14、15、其中和分别表示由各自的过剩亥姆霍兹自由能产生的硬球斥力、直接库仑能、静电关联、链连接和离子缔合的过剩化学势；这些过剩化学势的总和就是总过剩化学势,再通过改进的缔合pdft理论结合流体链连接性和离子缔合性推导出系统中各物质的巨势和化学势。16、进一步的，步骤s2中，采用扰动理论来描述高分子流体链连接性所产生的过剩亥姆霍兹自由能，参考系统为相应的单体系统，带相反电荷的离子之间相互作用产生的亥姆霍兹自由能是通过tpt1(一阶tpt)得出的。17、进一步的，步骤s3中，计算离子液体在不同温度下的密度曲线。18、进一步的，步骤s4中，计算某一温度下的离子密度分布，并基于pdft导出相应的巨势和化学势。19、进一步的，由所述相图得到预测不同电位下的类液相密度偏移的经验公式，表示为下式：20、21、其中，φ为狭缝孔隙携带的电势，不同温度下的平均参数和除临界点附近的温度外，其他温度下的参数非常接近。22、采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：23、(1)改进的缔合pdft通过结合流体链连接性和离子缔合性，准确预测了高分子流体的相行为。该模型准确、快速地描述各种复杂流体在受限、带电等情况下的分布和相行为。24、(2)本发明利用修正过剩自由能，发展了pdft理论，建立了粗粒度模型来描述链长可变的离子液体，通过不同链长的离子液体在不同宽度的受限空间中的相平衡，可以发现流体尾链的存在减少了分子间的相互作用并缩小了相图。空间受限也会缩小相图。类气相对链长和狭缝的依赖性很弱。类液相的平衡密度随链的长度而显著降低。正电位会使相图变宽，而负电位会使相图变窄。同样，类气相对电势变化的敏感性也很小。25、(3)本发明考察了类液相的密度偏移与电势之间的关系，发现两者之间存在线性相关。基于这一发现，得出了一个经验公式来预测各种电势下的密度偏移。这一研究成果有助于加深对复杂流体相行为的理解，并为电化学装置的设计提供指导。技术特征：1.基于缔合pdft理论预测离子液体相行为的方法，其特征在于，包括以下步骤：2.根据权利要求1所述的基于缔合pdft理论预测离子液体相行为的方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述粗粒度模型中的离子液体以液态或气态或两种离子密度不同的液体的形式存在于狭缝孔隙中，其离子被粗化成相同大小的硬球，阴离子由不同长度的中性链段连接，离子液体尾链长度为0-2。3.根据权利要求2所述的基于缔合pdft理论预测离子液体相行为的方法，其特征在于，所述步骤s1中，阴离子、中性链段和阳离子的直径为0.5nm。4.根据权利要求1所述的基于缔合pdft理论预测离子液体相行为的方法，其特征在于，所述步骤s2中，将msa和tpt理论与pdft相缔合，以适用于复杂的链状流体，其中msa用于解释静电相关性，tpt理论用于表达带相反电荷的离子之间的相关性，并将链的连通性考虑在内，过剩自由能fex表示为下式：5.根据权利要求1所述的基于缔合pdft理论预测离子液体相行为的方法，其特征在于，所述步骤s2中，采用扰动理论来描述高分子流体链连接性所产生的过剩亥姆霍兹自由能，参考系统为相应的单体系统，带相反电荷的离子之间相互作用产生的亥姆霍兹自由能是通过tpt1得出的。6.根据权利要求1所述的基于缔合pdft理论预测离子液体相行为的方法，其特征在于，所述步骤s3中，计算离子液体在不同温度下的密度曲线。7.根据权利要求1所述的基于缔合pdft理论预测离子液体相行为的方法，其特征在于，所述步骤s4中，计算某一温度下的离子密度分布，并基于pdft导出相应的巨势和化学势。8.根据权利要求1所述的基于缔合pdft理论预测离子液体相行为的方法，其特征在于，由所述相图得到预测不同电位下的类液相密度偏移的经验公式，表示为下式：技术总结本发明公开了基于缔合PDFT理论预测离子液体相行为的方法，包括以下步骤：步骤S1，建立受限体系中不同链长离子液体的粗粒度模型，简化分子细节；步骤S2，选择重构参考模型及参数，通过修正过剩自由能，建立缔合PDFT模型；步骤S3，采用缔合PDFT模型计算离子液体在受限空间的分布及其密度曲线；步骤S4，基于缔合PDFT理论导出气液两相各组分的巨势和化学势；步骤S5，根据气液两相各组分的巨势与化学势分别相等，寻找该温度下的相平衡点；步骤S6，根据上述步骤得到的不同温度下的相平衡点，得到相图。采用本方法建立的模型能够准确预测高分子流体的相行为，准确、快速地描述各种复杂流体在受限、带电等情况下的分布和相行为。技术研发人员：练成,程锦,胡远龙,任一佳,刘洪来受保护的技术使用者：华东理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/15