锂电池研究中理论模拟的三个方面
宏观尺度：有限元方法等
介观尺度：相场模拟、分子力场等
原子尺度：第一性原理、密度泛函理论、分子动力学、蒙特卡罗等
根据所研究问题的内容与所在的空间与时间尺度，计算材料学的模拟方法涵盖了从微观原子、分子水平，到介观微米级别，直至宏观尺度的各种理论。下图展示了计算材料学在不同空间与时间尺度上的模拟方法
基于密度泛函理论的第一性原理计算同分子动力学、蒙特卡罗方法相结合，在材料设计、合成、模拟计算和评价诸多方面有许多突破性的进展，已经成为原子尺度上材料计算模拟的重要基础和核心技术。
第一性原理计算的宗旨是不采用任何经验参数，只采用电子质量、光速、质子质量、元电荷、普朗克常数5 个基本物理量计算研究微观粒子的行为。
20 世纪60年代，密度泛函理论建立。
1985年，Car和Parrinello 两人把分子动力学方法和第一性原理计算结合起来，使得第一性原理方法在处理问题时变得更为实际。
1998年，Kohn 教授因其对密度泛函理论（DFT）发展所做出的巨大贡献荣获了该年度的诺贝尔化学奖。
随后，计算材料学特别是基于密度泛函理论的第一性原理计算在材料科学研究中迅速升温，已成为当今计算材料科学的一个最为重要的工具。
基于密度泛函理论的第一性原理
第一性原理计算方法有着半经验方法不可比拟的优势，只需知晓构成微观体系的元素及其位置，即可以应用量子力学来计算出该微观体系的总能量、电子结构等物理性质。
1）现象解释：第一性原理计算可作为真实实验的补充，通过计算可以更为深入地理解被模拟体系的特征和性质；
2）理论预测：通过第一性原理计算可以在尚无实验的情况下对研究体系进行预测和设计。
锂电池研究中，最常见的模拟类型
电池电压、嵌锂电位、电极材料的电子结构、能带结构、弛豫结构、迁移路径、缺陷生成能、活化能、锂离子传输动力学和脱嵌锂相变、材料中温度场分布、应力场分布等。
锂电池中尚不明朗的基础科学问题有哪些？
如SEI的生长机制、离子在电极材料中的扩散动力学特性、电极材料充放电过程中结构的演变、电位与结构的关系、空间电荷层分布等。
为什么理论计算的嵌锂电位比实际低？
问题：研究早期人们发现，几乎对所有的正极材料，密度泛函理论计算得到的电压都偏低。
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（1）热力学的能量转换为电化学中的电压
吉布斯自由能：在反应中可逆的能量。
能量与电压的关系：初衷电学知识，Power=U*I*t=U*q，能量等于电压乘以电量。
（2）热力学角度，温度升高，效率降低；压力升高，效率提高
（3）能斯特方程:反应物浓度越高，效率越高；
可以理解焓值H为物质所含有的能量，吉布斯自由能G理解为可逆的能量，TS为不可逆的能量。（T为温度，S为熵）
氢氧氧化还原反应（如上式），当生成为液态水时，释放能量为
经计算,氢气和氧气在常温下能自发反应,实际上几亿年才反应一点,那么研究吉布斯自由能变又有何科学价值呢？
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这个只是氢氧之间的问题,如果放到有机反应中,可逆性就非常明显了.这个和化工行业特别是石化行业的核心问题之一啊当然有显著的科学价值了.,6,经计算,氢气和氧气在常温下能自发反应,实际上几亿年才反应一点,那么研究吉布斯自由能变又有何科学价值呢
用吉布斯自由能变怎么解释可逆反应的方向?
