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廈門大學(xué)從順磁電池材料動(dòng)態(tài)NMR譜中揭示堿金屬離子傳輸機(jī)理的機(jī)器學(xué)習(xí)方法

來(lái)源:廈門大學(xué)      2022-06-24
導(dǎo)讀:廈門大學(xué)程俊教授和楊勇教授研究團(tuán)隊(duì)合作,發(fā)展了基于機(jī)器學(xué)習(xí)計(jì)算順磁電池材料動(dòng)態(tài)NMR化學(xué)位移的方法,應(yīng)用于P2型鈉離子電池正極材料并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該工作以“A Machine Learning Protocol for Revealing Ion Transport Mechanisms from Dynamic NMR Shifts in Paramagnetic Battery Materials” 為題,發(fā)表在Chemical Science(2022, DOI:10.1039/D2SC01306A)。

固體核磁共振(solid-state Nuclear Magnetic Resonance, ssNMR)技術(shù)憑借其對(duì)局域環(huán)境和動(dòng)態(tài)信息的獨(dú)特敏感性,在電池材料的研究中得到了廣泛應(yīng)用。不過(guò)電池正極材料通常具有順磁性,過(guò)渡金屬離子與被觀測(cè)核存在復(fù)雜的相互作用,可靠NMR譜峰指認(rèn)非常依賴密度泛函理論(Density Functional Theory, DFT)計(jì)算。已有理論方法被開(kāi)發(fā)用于計(jì)算正極材料NMR化學(xué)位移,但這些方法僅適用于堿金屬離子擴(kuò)散緩慢的體系,其NMR譜峰與堿金屬離子局域環(huán)境一一對(duì)應(yīng)。而在高倍率電池正極材料中,例如P2型鈉電正極,因堿金屬離子在不同局域位點(diǎn)的快速擴(kuò)散,常溫下往往觀測(cè)到動(dòng)態(tài)NMR譜,其譜峰對(duì)應(yīng)于多個(gè)堿金屬離子局域環(huán)境的動(dòng)態(tài)平均,這進(jìn)一步加大了NMR譜峰的指認(rèn)難度。

近年來(lái),程俊教授和楊勇教授研究團(tuán)隊(duì)展望了分子動(dòng)力學(xué)(Molecular Dynamics, MD)模擬與NMR在固體電池材料中的聯(lián)合應(yīng)用(Curr. Opin. Electrochem., 2022, 35, 101048.),并通過(guò)聯(lián)用DFT計(jì)算局域位點(diǎn)NMR化學(xué)位移和深度勢(shì)能分子動(dòng)力學(xué)(Deep Potential Molecular Dynamics, DPMD)模擬,首次直接計(jì)算P2Na2/3(Mg1/3Mn2/3)O2的動(dòng)態(tài)23Na化學(xué)位移(Angew. Chemie Int. Ed., 2021, 60, 12547–12553.)。不過(guò)該工作中應(yīng)用優(yōu)化結(jié)構(gòu)(0 K)來(lái)計(jì)算局域位點(diǎn)化學(xué)位移,忽略了熱力學(xué)漲落對(duì)化學(xué)位移的影響,限制了其廣泛應(yīng)用。

針對(duì)以上問(wèn)題,本工作中通過(guò)聯(lián)合DPMD模擬進(jìn)行快速結(jié)構(gòu)采樣,和機(jī)器學(xué)習(xí)方法快速預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的化學(xué)位移,可在DFT精度下計(jì)算動(dòng)態(tài)NMR化學(xué)位移。具體的,建立了一個(gè)基于DFT數(shù)據(jù)集,結(jié)合原子位置平滑重疊描述符(Smooth Overlap of Atomic Positions, SOAP)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural Network, NN)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型,名為NN-NMR模型。P2Na2/3(Mg1/3Mn2/3)O2為例驗(yàn)證了該模型,結(jié)果表明NN-NMR模型可以較好的復(fù)現(xiàn)DFT計(jì)算結(jié)果(R= 0.96)。此外,NN-NMR模型在GPU卡上計(jì)算時(shí)間與DFT方法在CPU核上計(jì)算時(shí)間相比,縮短了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。聯(lián)合NN-NMRDP兩個(gè)模型的高效率和精度,該方法基本消除了P2Na2/3(Mg1/3Mn2/3)O2Na2/3(Ni1/3Mn2/3)O2動(dòng)態(tài)23Na化學(xué)位移計(jì)算值的統(tǒng)計(jì)誤差,并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果一致。該方法可用于建立高倍率電池正極材料結(jié)構(gòu),NMR譜,離子傳輸之間的明確關(guān)系,且有潛力推廣到其他的原子核,固態(tài)電解質(zhì),溶液體系中,作為聯(lián)系實(shí)驗(yàn)NMR譜和微觀動(dòng)態(tài)過(guò)程的橋梁。

論文第一作者為廈門大學(xué)2018級(jí)博士研究生林敏,該工作得到了美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室傅日強(qiáng)教授的支持和幫助。研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2021YFB2401800),國(guó)家自然科學(xué)基金(21991151、2199115、21935009、2176113203021861132015、2202100192161113、91945301)和廈門市科技計(jì)劃項(xiàng)目(3502Z20203027)的支持。

論文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/SC/D2SC01306A

參考資料:https://chem.xmu.edu.cn/info/1274/15004.htm

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