原因

近几十年来，实验学家利用类似晶体（结构）族的结构合成-稳定性-性能关系来设计和开发应用于锂离子电池的新材料。这种耗时且劳动密集型的方法效率不高，因为在类似结构类别的材料中进行非生产性搜索和大量可用的选择，其成分无序。对材料的初步估计，如果事先知道最佳原子环境和相应的加工条件，可以缩小合成条件和实验搜索窗口。主要的挑战是

l 尽管有先进的实验表征方法，包括x衍射、电子和中子（XRD、ED、ND、XANES、XSAFS等），但很难获得对原子环境的理解。除了一些时间平均的原子位置之外，很难测量原子结构的细节，特别是对于无序/非晶结构。

l 表征的难度进一步增加了动态特性，如快速离子扩散和电子&离子电导率。电化学阻抗谱（EIS）或核磁共振（NMR）可以获得关于特定区域平均动态特性的知识。

l 在原子尺度上对这些性质的解释往往必须基于假设和定性推理。

计算意义

材料计算可以为你所考虑的体系在特定应用时提供相应的电子层面或原子层面上的见解，用于设计实验和先进材料的指导。

第一性原理（从头算）建模是指量子力学（QM）计算来确定材料的结构和性质。这些方法只依赖于基本的物理定律，如QM和统计力学，因此它们不需要任何实验输入，除了组成元素的性质（在某些情况下是结构）。QM计算方法为在原子水平上预测和控制结构提供了强大的工具。它们可以在合成之前预测精确的基态性质。当可以将合适的实验数据应用到计算方法中以提供可靠的初始模型时，这些计算变得更加强大和现实。实验和计算常常提供互补的信息。

QM方法

1995年，Reimers首次提出将QM计算用于锂离子电池设计。

目前，QM方法被广泛用于预测适用于锂离子电池的新材料的性能。现代QM方法能够在<100皮秒（ps）的时间内预测包含<300个原子的小分子或周期性晶体结构的几何形状、能量和振动能量。例如，电池电压可以从QM能量最小化结构中计算出来。假设锂金属电池以锂金属为负极，以锂化合物为正极，则锂化学势电压可预测如下

M为阴离子或阴离子基，其中z是锂离子从负极转移到正极的形式电荷，F是法拉第常数。

MD方法

这样的QM计算导致了电池开发的进步，但它们仅限于2-3纳米的系统尺寸。为了理解电池内部的过程，我们需要考虑10到100纳米的尺度，这需要10万个原子，对于QM来说太多了。在这里，我们需要使用基于力场（FF）的反应分子动力学（MD）和基于QM的FF。

非反应力场

2001年van Duin和Goddard利用键距与键序、键序与键能之间的关系，建立了ReaxFF反作用力场。除了价项外，ReaxFF还包括基于范德华和QEq的静电相互作用，其参数拟合用于描述键解离能和从QM计算得出的反应曲线。