Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

3T-VASP Çok Ölçekli Enerji Minimizasyonu Kullanarak Hızlı In-silico Pil Elektrolit Elektrokimyasal Reaksiyon Üretimi

1K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/68854

⸱

22 Ağustos 2025

 ,  ,  ,  ,  , 
1College of Computer Science and Artificial Intelligence, Wenzhou University, 2Wenzhou University Artificial Intelligence and Advanced Manufacturing Institute, 3Tencent Quantum Laboratory, 4Tencent Quantum Laboratory

Bu makalede

Özet

3T-VASP çerçevesi, yerel enerji minimumundan kaçmak ve elektrokimyasal reaksiyonları modellemek için gereken adım sayısını önemli ölçüde azaltmak için hiyerarşik yapı dönüşümünü ab initio çok ölçekli gradyanlarla birleştirir. Bu protokol, yalnızca 100-150 statik DFT hesaplaması kullanarak çeşitli elektrolit bileşen kombinasyonları için elektrokimyasal reaksiyon yan ürünleri oluşturmak için bir yöntem sunar.

Özet

Elektrolitler, lityum iyon pillerde önemli bileşenlerdir. Bununla birlikte, elektrolitteki geri dönüşü olmayan elektrokimyasal reaksiyonlar nedeniyle pilin bozulması, elektrolit moleküllerini tüketebilir ve etkili çalışma ömrünü ciddi şekilde azaltabilir. Bu nedenle, lityum iyon pil güvenilirliğini daha da artırmak için pil elektrolitindeki elektrokimyasal reaksiyon yollarını incelemek önemlidir. Ne yazık ki, genellikle birçok kimyasal tür (farklı çözücüler, tuzlar, katkı molekülleri ve elektrot arayüzleri) içeren elektrolitteki tam elektrolit elektrokimyasal reaksiyon yollarını deneysel olarak incelemek zordur. Bu reaksiyon yan ürünleri, elektrolit-elektrot arayüzünde (LiF, Li2CO3, Li2O, LiOH, organolityum bileşikleri, vb.) karmaşık katı elektrolit interfazı (SEI) oluşturabilir, analiz edilmesi daha kolay olan küçük gaz molekülleri olarak salınmak yerine. Yoğunluk fonksiyonel teori yazılımı (katmanlı tensör dönüşümü - Viyana Ab-initio Simülasyon Paketi (VASP) veya 3T-VASP) ile birlikte katmanlı tensör dönüşümü tekniği hakkındaki son yayınımız, sadece 100-150 DFT adımında fiziksel olarak anlamlı elektrolit elektrokimyasal reaksiyon yan ürünleri üretmek için ab-initio yaklaşımının pratik kullanımını sağlar. Bu çalışmada, orijinal 3T-VASP yayınında sunulan örneklerin ötesinde, ilgilenilen yeni elektrolit sistemleri için 3T-VASP iş akışını doğru bir şekilde kurmak için gereken simülasyon hazırlık adımlarıyla birlikte, 3T-VASP kodunun (Github'da herkese açık olarak mevcuttur) iç işleyişini daha ayrıntılı olarak açıklıyoruz.

Giriş

Yeni akü elektrolit bileşimlerindeki elektrokimyasal reaksiyon yollarının araştırılması, elektrikli araç akü performansını ve ömrünü iyileştirmeye yönelik yöntemlerin belirlenmesi için önemlidir1. Bununla birlikte, bu tür çalışmalar genellikle zordur, çünkü pil elektrolitleri genellikle farklı pil çalışma voltajları ve sıcaklıkları altında kendileriyle ve farklı yüzeylerle (katot ve anot elektrotları) etkileşime giren çözücü, tuz ve katkı molekülleri gibi farklı bileşenlerin karıştırılmasıyla yapılır2. Deneylerde, geri dönüşü olmayan elektrolit elektrokimyasal bozunma reaksiyonlarının bazılarının araştırılması daha kolaydır çünkü elektrolit çözeltisinden havaya salınan küçük gaz molekülü yan ürünleri üretirler (buna bağlı olarak gaz kromatografisi 3,4,5 gibi deneysel teknikler kullanılarak araştırmayı kolaylaştırırlar.). Bununla birlikte, bu yan ürünlerin çoğu, gaz molekülleri olarak çevreye salınmayacak olan karmaşık organolityum polimer bileşikleri6 gibi daha büyük moleküller veya karmaşık organik-inorganik katı karışımlarıdır. Bu, bu daha karmaşık elektrokimyasal reaksiyon yollarının deneysel olarak incelenmesini zorlaştırır2.

Yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) gibi ab-initio modelleme, elektrolitteki potansiyel elektrokimyasal bozunma yollarını in silico7 incelemek için umut verici bir yöntemdir. Bununla birlikte, karmaşık elektrolit yapısının basit DFT enerji minimizasyonu (periyodik bir sınır koşulu kutusunda deneysel olarak makul elektrolit bileşen konsantrasyonlarına sahip sıvı karışım), çoğunlukla fiziksel olarak anlamlı elektrokimyasal reaksiyon yan ürünlerine karşılık gelen düşük enerjili yapılar üretmekte başarısız olacaktır. DFT'ye indirgenmiş yapılar tipik olarak daha yüksek enerjiye sahiptir ve yanlış elektrokimyasal bozunma yollarına karşılık gelen fiziksel olmayan yan ürünleri temsil eder, çünkü yapılar DFT enerji minimizasyonu prosedürü sırasında yerel enerji minimumlarında sıkışıp kalır. Ab-initio moleküler dinamik (AIMD)8,9, sinir ağı kuvvet alanı 10,11,12,13,14,15,16 veya DFT tabanlı metadinamik 17,18,19 gibi yöntemler genellikle daha anlamlı elektrokimyasal reaksiyon yan ürünlerini içerebilen daha çeşitli elektrolit yapılarını keşfetmek için kullanılır. Elektrokimyasal olarak daha kararlı olduğu tahmin edilen elektrolit bileşenleri üretmek için hesaplamalı tarama da sıklıkla denenir20. Bununla birlikte, tüm bu yöntemlerin kendi dezavantajları vardır, örneğin: büyük ve uzunhesaplama kaynakları 7, büyük miktarda ab-initio eğitim verisi13 veya simülasyonu belirli sonuçlara saptırmak için nihai elektrokimyasal reaksiyon yan ürünleri hakkında önceden bilgi21.

Yakın zamanda, Viyana Ab-initio Simülasyon Paketi (VASP) yazılımı22 kullanılarak hesaplanan DFT atomik kuvvetleri gibi herhangi bir ab-initio yönteminden elde edilen enerji gradyanlarını PyTorch (3T-VASP) kullanılarak hesaplanan yapı dönüştürme fonksiyonu gradyanları ile bağlayarak ab-initio yapı enerji minimizasyonunu çok ölçekli bir şekilde gerçekleştirmek için bir yöntem tanıttık.23,24. Bu yaklaşım, kullanıcının birden fazla tür ve sayıda elektrolit bileşen molekülüyle dolu bir simülasyon kutusu kurmasını ve harici bir atom enerjisi ve kuvvet hesaplayıcısı (klasik bir kuvvet alanı veya VASP DFT gibi) çalıştırmasını sağlar. Yapı enerji minimizasyonu daha sonra otomatik olarak, ilgili moleküllerin doğal yapı dönüşüm modlarına (molekülün farklı bölümlerinin ötelemeleri ve dönüşleri) saygı duyan çok ölçekli bir şekilde gerçekleştirilir. Bir 3T-VASP simülasyonu, fiziksel olarak anlamlı reaksiyon yan ürünleri üretirken (bunların çoğu önceki literatürde deneysel olarak gözlemlenmiştir) tipik olarak 100-150 statik DFT çağrısı içinde 'tamamlandığından'24, daha fazla hesaplamalı veya deneysel araştırma için elektrolitte potansiyel olarak anlamlı elektrokimyasal reaksiyon yolları ve yan ürünler oluşturmak için birçok farklı 3T-VASP yörüngesi topluluğunu çalıştırmak mümkündür. Çok ölçekli gradyan yapısı minimizasyonunun arkasındaki ilkeler ve matematik, önceki bir yayında derinlemesine tartışılmıştır24. Bu çalışmada, 3T-VASP yazılım mimarisini ve hesaplamalı iş akışını, 3T-VASP'yi çalıştırmak için gerekli bilgi işlem ortamının kurulumunu, yeni sistemlerin 3T-VASP simülasyonu için girdi dosyalarının hazırlanmasını, 3T-VASP simülasyonlarının izlenmesini ve çıktı yörüngeleri örneğini daha da detaylandırmayı amaçlıyoruz.

İlk olarak, Şekil 1'de gösterildiği gibi 3T-VASP yazılımının genel mimarisini anlamak gerekir. 3T-VASP, moleküldeki doğal yapı dönüşüm modlarını tanımlayarak ve bunlardan yararlanarak çalışır (çünkü bunlar, moleküllerin nispeten düşük ab-initio yapı enerjisini korurken gerçekleştirmesi daha kolay olan yapı dönüşümleridir)24. Bu yapı dönüşüm modlarını her yeni molekül türü için manuel olarak programlamak mümkün olsa da (bunu yapmak zahmetlidir), 3T-VASP, molekül24'ü temsil eden klasik kuvvet alanı dosyasında bulunan bilgilerden yararlanarak bu işlemi kullanıcı için otomatikleştirmeyi teklif eder. İstenen elektrolit molekülü bileşenleri için bu yapı dönüşüm modları belirlendikten sonra, kullanıcının periyodik sınır koşulu kutusunu ve kafes vektör parametrelerini (kutu başlangıçta boş olabilir veya kısmen ayrı katyonlar veya elektrot yüzeyi ile doldurulmuş olabilir) istenen tip ve sayıda diğer elektrolit molekülleri (çözücüler gibi) ile daha fazla doldurulması gerekir. tuz iyonları, katkı maddeleri). 3T algoritması daha sonra ya klasik kuvvet alanını (3T-VASP ile birlikte yerleşik bir klasik kuvvet alanı hesaplayıcısı dahildir) ya da çok ölçekli yapı dönüşümünü gerçekleştirmek için atomik enerjiyi ve kuvvetleri hesaplamak için bilgi işlem ortamının VASP yazılımını kullanacaktır, bu da yapı enerjisini mütevazı sayıda statik DFT çağrısında en aza indirebilir24. Bu hesaplama maliyeti azaltması, çok sayıda başlangıç yapısı için elektrokimyasal reaksiyon yörüngesini ve yan ürün üretimini tekrarlamayı mümkün kılar.

figure-introduction-1
Şekil 1: 3T-VASP'nin hesaplamalı iş akışı. (A) 3T-VASP girdi yapılarının ön işlenmesi (periyodik sınır koşulu kafesi ve küçük moleküller). Küçük molekül kuvvet alanı parametresi, SwissParam web sunucusu kullanılarak otomatik olarak yapılabilir, LigParGen web sunucusu parametresinden sonra manuel olarak değiştirilebilir veya daha önce tamamlanmış parametrelendirmeye dayalı bir önbellekten yüklenebilir. 3T algoritmasının mikro ve makro grup segmentasyonu, molekül alt yapılarının dönebilen bağlarına göre ayrıştırılmasıyla otomatik olarak yapılır. PBC kafes giriş dosyası, VASP POSCAR dosyası biçimindedir ve istenen sayıda giriş molekülünü paketlemek için yeterli boş fiziksel alana sahip olacak şekilde tasarlanmalıdır. PBC kafesi, birkaç iyonla dolu boş bir kutu veya biraz boş alana sahip bir yüzey yapısı olabilir. (B) İstenilen tip ve sayıda küçük molekül, PackMol kullanılarak PBC kafesindeki boş alana yerleştirilir. (C) Yerleşik kuvvet alanı hesaplayıcısı (3T-FF, çoğunlukla sıvı dağılımını sağlamak ve kimyasal reaksiyonlara izin vermeden 3T-VASP için fiziksel olarak makul bir başlangıç yapısı oluşturmak için) kullanılarak çok ölçekli gradyan 3T yapı minimizasyonu. (D) VASP hesap makinesi gibi harici yazılımlar kullanılarak çok ölçekli gradyan 3T yapı minimizasyonu (3T-VASP, elektrokimyasal reaksiyonların ilerlemesini sağlar). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Büyük ölçekli moleküler dinamik simülasyonlarını çalıştırmak için yararlı olan klasik kuvvet alanı tabanlı bir moleküler dinamik yazılımı olan GROningen Machine for Chemical Simulations (GROMACS) gibi çeşitli açık kaynaklı harici yazılımlar25 ve Shirts ve arkadaşları tarafından moleküler dinamik dosya formatı dönüşümleri için geliştirilen bir Python kütüphanesi kod tabanı olan InterMol26, otomatik molekül kuvvet alanı parametrelendirmesini ve dönebilen bağ ekstraksiyonunu sağlamak için kullanılır. VASP, ab initio fazı (3T-VASP döngüleri) sırasında elektrokimyasal reaksiyonu sağlamak için kullanılır. Bu bağımlılıkları yüklemek için gereken adımlar bu makalede sunulmuştur.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. 3T-VASP'yi çalıştırmak için bir bilgi işlem ortamı kurma

NOT: Aşağıdaki adımlar için Linux27 kullanılması tavsiye edilir.

  1. 3T-VASP'yi çalıştırmaya adanmış conda ortamını28 kurun.
    1. Resmi talimatları izleyerek conda'yı (miniconda gibi) Linux makinesine kurun (bağlantı için Malzeme Tablosuna bakın).
    2. Yeni bir 3T conda ortamı oluşturun, etkinleştirin ve aşağıdaki komutları çalıştırarak git'i yükleyin:
      conda create --name 3T python=3.11
      conda 3T'yi etkinleştir
      conda install git -c conda-forge
    3. 3T-VASP github deposunu klonlayın ve dizine girin
      git klon https://github.com/jpmailoa/External_3T.git
      cd External_3T
    4. Conda bağımlılıklarını yönetmek için mamba'yı yükleyin ve 3T conda ortamı için gerekli kitaplıkları yükleyin:
      conda install mamba -c conda-forge
      mamba install --file requirements.txt -c pytorch -c conda-forge -c rdkit
  2. GROMACS yazılımını 3T ortamına yükleyin.
    1. GROMACS'ı 3T conda ortamına kurun (kurulum talimatları Malzeme Tablosunda bulunabilir).
      NOT: Kullanıcı herhangi bir yeni molekülü .pkl formatında işlemeyi planlamıyorsa (bkz. adım 2.3) ve daha önce işlenmiş olan mevcut moleküllerle (.pkl dosyası biçiminde) çalışabiliyorsa, bu GROMACS kurulumu (adım 1.2) atlanabilir.
  3. InterMol'un değiştirilmiş sürümünü 3T ortamına yükleyin.
    1. InterMol'un bir hata düzeltme sürümünü yüklemek için şu talimatları izleyin:
      cd utils/Convert_Gromacs_LAMMPS/InterMol
      Python setup.py Derleme
      python setup.py yükleme
      CD.. /.. /..
      NOT: Kullanıcı herhangi bir yeni molekülü .pkl formatında işlemeyi planlamıyorsa (bkz. adım 2.3) ve daha önce işlenmiş olan mevcut moleküllerle (.pkl dosyası biçiminde) çalışabiliyorsa, bu InterMol kurulumu (adım 1.3) atlanabilir.
  4. 3T-VASP kodunda VASP yazılım yolunu belirtin.
    1. VASP yazılımını 3T ortamına yükleyin. Talimatlar ve öğreticiler Malzeme Tablosu'nda bulunabilir.
    2. 'utils/calculator_3T_VASP.py' dosyasını açın ve 'run_VASP' işlevini kontrol edin. Python betiğinde aşağıdaki varsayılan satırı arayın:
      os.system('nohup mpirun -n '+n_gpu+' --allow-run-as-root ~/software/vasp.6.2.1/bin/vasp_std')
      1. Yukarıdaki varsayılan satır, kullanıcının VASP yürütülebilir dosyasına işaret eden ve bilgi işlem kaynaklarını belirten işletim sistemi sistem çağrısına değiştirilmelidir, örneğin:
        os.system('mpirun -np 2 /yol/için/vasp/bin/vasp_std')
  5. Linux terminalinde aşağıdaki komutları çalıştırarak (veya gerekirse yükleyerek) gerekli Python dışı üçüncü taraf kitaplıklarının 3T conda ortamında kullanılabilir olduğundan emin olun:
    gmx (İngilizce)
    wget (İngilizce)
    Unzip
    paket mol
    NOT: Bu komutlar yalnızca molekül kuvvet alanı formatı dosya ön işleme sırasında çağrılacaktır, bu nedenle kullanıcı yalnızca önceden işlenmiş molekül .pkl dosyalarıyla çalışmayı planlıyorsa, 'wget' ve 'unzip' kitaplıklarının yüklenmesine gerek yoktur.
  6. 3T-VASP'nin doğru yapılandırıldığından emin olmak için bir test çalıştırması gerçekleştirin.
    1. Önceki bir yayın24'e göre sağlanan aşağıdaki test betiklerinden birini çalıştırmak için Python kullanın:
      python randomize_3T_bulk_electrolyte_reduction.py
      python randomize_3T_bulk_electrolyte_oxidation.py
    2. Başarılı bir yürütme, ayrı bir Linux terminalinde izlenebilen 'default.log' çıktı dosyasında günlükler oluşturacaktır (örnek Şekil 2'de gösterilmiştir).

figure-protocol-1
Şekil 2: Başarılı bir kurulumdan sonra bir test çalıştırması sırasında bir 3T günlük dosyasının örnek içeriği. Varsayılan günlük dosyası, bir 3T döngüsünün geçerli adım numarasını ve döngünün başlangıcından bu yana geçen bilgi işlem süresini günlüğe kaydeder. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

2. 3T-VASP giriş dosyalarının hazırlanması

  1. Periyodik kutu kafes yapısını VASP POSCAR dosya formatında hazırlayın.
    1. 3T-VASP kafes dosyalarını '.vasp' olarak adlandırın ve bunları 'input' klasörünün bir alt klasörüne kaydedin ('input/Electrolyte_Reduction' klasörü gibi). Dosyaları bir VASP POSCAR dosyası biçiminde yazın. İçinde üç lityum katyonu bulunan bu tür bir PBC kafes POSCAR dosyasının bir örneği aşağıda Şekil 3'te gösterilmiştir.
  2. Periyodik kutu kafes yapısı özelliği geçersiz kılma dosyasını hazırlayın.
    1. Bu 3T-VASP kafes yapısı özellik geçersiz kılma dosyalarını '.override' olarak adlandırın, bunları 'input' klasörünün alt klasörüne yerleştirin (adım 2.1'deki 'input/Electrolyte_Reduction' klasörü gibi) ve bunları 'movable_group' ve 'atom_charge_proximity' anahtar girişiyle bir sözlük olarak JSON formatında yazın ( Şekil 4'teki örneğe bakın).
  3. Molekül yapısı dosyalarını XYZ dosya biçiminde hazırlayın.
    1. Bu 3T-VASP molekül yapısı dosyalarını '.xyz' olarak adlandırın ( Şekil 5'teki örneğe bakın) ve bunları 'giriş' klasörüne yerleştirin. 3T-VASP, '.xyz'in daha önce bir .pkl dosyasına dönüştürülüp dönüştürülmediğini kontrol edecek ve eğer değilse, molekül ücretsiz bir harici üçüncü taraf SwissParam kuvvet alanı parametrelendirme web sunucusu29 kullanılarak işlenecektir. Kuvvet alanı parametresi LigParGen30 gibi başka bir web sunucusuna dayanıyorsa veya manuel parametrelendirme isteniyorsa, lütfen adım 2.6'ya bakın.
  4. Her 3T-VASP adımında kullanılacak şablon VASP giriş dosyalarını hazırlayın.
    1. INCAR, KPOINTS ve POTCAR gibi standart VASP giriş dosyalarını kullanın (POSCAR gerekli değildir). INCAR dosyasında, moleküler dinamik çalıştırmalardaki adım sayısının NSW'nin ayarlanmadığından veya varsayılan NSW = 0 değerine ayarlandığından emin olun (örnek Şekil 6'da gösterilmiştir). Bu dosyaları 'templates/VASP' klasörünün bir alt klasörüne yerleştirin ('templates/VASP/Electrolyte_Reduction' gibi).
  5. Diğer tüm giriş dosyalarını yapılandıran bir 3T yapılandırma dosyası hazırlayın.
    NOT: Bu yapılandırma dosyası, bir JSON liste formatı biçiminde sağlanmalıdır (listenin her bir üyesi, bir 3T döngüsünün ayarlarını gösteren bir sözlük bloğu olacaktır)24 ve 'configs' klasörüne yerleştirilmelidir (örneğin, 'configs/Electrolyte_Reduction.json', örnek aşağıdaki Şekil 7'de gösterilmiştir). Her döngüdeki belirtilmemiş parametreler, parametreleri önceki döngünün yapılandırmasından devralır.
  6. (İsteğe bağlı) Gerekirse, molekül kuvvet alanını parametreleştirmek için manuel parametrelendirme veya LigParGen web sunucusu kullanın.
    1. Yüklü moleküller, rezonans yapıları veya radikaller gibi SwissParam tarafından parametrize edilemeyen moleküller için LigParGen veya manuel parametrelendirme kullanın. Rehberlik için sağlanan ek örneklere bakın:
      python example_LigParGen_FF_assignment.py
      python example_manual_FF_assignment.py

figure-protocol-2
Şekil 3: Birkaç lityum iyonu ile doldurulmuş PBC kafes POSCAR dosyası örneği. (A) Kutu boyutu 14 × 14 × 14 Å3'tür ve daha sonra PackMol kullanılarak elektrolit molekülleri tarafından paketlenecek yeterli boş alan vardır. (B) Esasen Visual Molecular Dynamics (VMD)31 gibi üçüncü taraf yazılımlar kullanılarak doğrudan görselleştirilebilen bir VASP POSCAR dosyası olan PBC kafes dosyası. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-3
Şekil 4: PBC kafes özelliği geçersiz kılma dosyası örneği. Bu sözlük, PBC kafesi içindeki atomlara uygulanması gereken özellik değişikliklerini açıklar. 'movable_group' anahtarı için örnek iç içe liste girişi, Lityum atomu 0,1,2'nin 3T simülasyonu sırasında bağımsız olarak hareket edebilen tüm ayrı atom grupları olduğu anlamına gelir. Buna ek olarak, 'atom_charge_proximity' anahtarı kullanılarak her bir Lityum atomuna +0.5'lik kısmi yük değeri uygulanır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-4
Şekil 5: Bir molekül XYZ dosyası örneği. (A) Bu dosya, sadece atom elementlerini ve koordinatlarını içeren standart bir molekül XYZ dosyası biçimindedir. (B) Bu molekül XYZ dosyası, VMD gibi üçüncü taraf yazılımlar kullanılarak doğrudan görselleştirilebilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-5
Şekil 6: Kabul edilebilir bir 3T şablonu VASP INCAR dosyası örneği. Bu dosyadaki çoğu ayar, kullanıcının ihtiyaçlarına göre ayarlanmalıdır. 3T-VASP gevşemesi için tek gereklilik, NSW değerinin ayarlanmamış olması veya NSW = 0 olarak ayarlanmış olmasıdır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-6
Şekil 7: 3T yapılandırma dosyası örneği. Listedeki her eleman (bir blok) bir 3T döngüsünün ayarlarını temsil eder ('mod', döngünün 3T-FF mi yoksa 3T-VASP minimizasyonu mu olduğunu belirler). Bir bloğun sözlüğünde bir anahtar belirtilmemişse, bunun yerine önceki bloktaki anahtar-değer çiftinin kullanılacağı anlamına gelir. 'lattice_poscar', VASP tarzı kafes yapısı POSCAR dosyasının ('dosya', adım 2.1) ve geçersiz kılma dosyasının (varsa 'geçersiz kılma', adım 2.2) konumunu belirtir. 'molecule_xyz', PBC kutusuna eklemek istediğimiz tüm ek molekül türlerini belirtir, 'file' molekül XYZ dosya konumunu belirtir ve 'count' PBC kutusuna eklenecek bu tür molekül türlerinin sayısını belirtir. 'mod', 'FF' (3T-FF modu) veya 'VASP' (3T-VASP modu) belirtir. 'n_epoch', bu 3T döngüsünde yapılması gereken en aza indirme adımlarının sayısını belirtir. 'out_tag', o döngünün ilişkili günlük dosyaları için kullanılması gereken adı belirtir (ve bu nedenle kullanıcı, yanlışlıkla önemli günlük veya çıktı dosyalarının üzerine yazılmasını önlemek için döngülere benzersiz adlar vermelidir). 'print_freq', çıkış günlük dosyasının ne sıklıkta yazılması gerektiğini belirtir (1 = her adımda günlük dosyasına çıktı). 3T-VASP modu kullanılmaya başladığında, kullanıcı, 'lattice_poscar' sözlüğünün 'VASP_template' anahtarında VASP şablon dosyalarının klasör konumunu daha fazla belirtmelidir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

3. 3T-FF ve 3T-VASP enerji minimizasyonlarını çalıştırın

  1. Tek 3T-FF/3T-VASP yörünge üretimi gerçekleştirin.
    1. Adım 2.5'ten ('configs/Electrolyte_Reduction.json') örnek bir yapılandırma dosyası için şu komutları çalıştırın:
      piton
      main_run_utils içe aktarma ana sayfasından >>
      >> main('configs/Electrolyte_Reduction.json')
      NOT: Kullanıcının makine yapılandırmasına bağlı olarak, bu yörünge oluşturmanın tamamlanması birkaç saat sürebilir (250 VASP DFT statik çağrısı içerir). Kullanıcı, 'default.log' dosyasının içeriğini ayrı bir Linux terminalinde inceleyerek ilerlemeyi izleyebilir (adım 1.6).
  2. Büyük ölçekli yörünge oluşturma isteniyorsa, yapılandırma dosyası oluşturmayı ve kullanımını otomatikleştirmek için bir Python betiği hazırlayın.
    1. Büyük ölçekli otomasyon komut dosyası için (Şekil 8), yapılandırma şablon dosyasındaki belirli ifadeleri ('configs/Electrolyte_Reduction_template.json' gibi) değiştirmek için kısa bir işlev ('config_modify_func' gibi) yazın. Bu, farklı 3T-VASP yörüngeleri üretmek için otomatik olarak yeni yapılandırma dosyaları oluşturacaktır. Örneğin, aşağıdaki büyük ölçekli otomasyon betiğini çalıştırın:
      python randomize_3T_bulk_electrolyte_reduction.py
      NOT: 3T-VASP kodu doğru bir şekilde ayarlandıktan ve simülasyon başlatıldıktan sonra, 3T çok ölçekli yapı minimizasyonu arka planda çalışacaktır. Kullanıcının makine yapılandırmasına bağlı olarak, birden fazla yörüngenin oluşturulmasının tamamlanması birkaç gün sürebilir. Bu protokol örneği, 4 Nvidia V100 GPU'ya sahip bir hesaplama düğümünde 30-40 saat içinde tamamlanacak olan 2500 VASP DFT statik çağrısı (10 3T-VASP yörüngesi) içerir. Adım 3.1.1'de belirtildiği gibi, genel ilerleme, ayrı bir Linux terminalinde 'default.log' dosyasının içeriği kontrol edilerek izlenebilir. 3T-VASP ayrıca, gerçek zamanlı olarak gözden geçirilebilen çıktı yörüngesini periyodik olarak boşaltacaktır. Yapılandırma dosyası örneğinde (Şekil 7, adım 2.5), bir 3T bloğundaki 'out_tag' alanı, bu 3T döngüsünden elde edilen sonuçların yazılacağı çıktı dosyalarının adını tanımlar. Örneğin, 'FF_step3'un 'out_tag' değeri, tüm döngünün atomik yörüngesinin 'FF_step3.xyz' (çok çerçeveli XYZ dosya formatı biçiminde) üzerine yazılacağı anlamına gelirken, 'FF' modunun yerleşik 3T kuvvet alanı hesaplayıcısı tarafından hesaplanan enerji (veya 'VASP' modunda VASP tarafından hesaplanan DFT enerjisi) 'FF_step3_outE.txt' üzerine yazılacaktır (bu dosyadaki enerji birimi mol başına Kilokalori [kcal/mol]'dür).

figure-protocol-7
Şekil 8: 3T-VASP yörünge oluşturma otomasyon komut dosyası örneği. 'multiple_runs' işlevine 'etiket' girişi olarak bir şablon yapılandırma dosyasının sağlanması gerekir. Buna ek olarak, oluşturulacak yörünge sayısı (10) ve yeni rastgele yapılandırma dosyaları oluşturmak için şablon yapılandırma dosyasının içeriğini değiştiren işlevin ('config_modify_func' işlevi) de sağlanması gerekir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

3T enerji minimizasyonu doğru bir şekilde kurulursa, 3T-FF fazı sırasında herhangi bir kimyasal reaksiyon meydana gelmeden PBC kutusu içinde elektrolit moleküllerinin kademeli bir dağılımı gözlemlenmelidir (Şekil 9A). 3T-FF'nin klasik kuvvet alanı enerjisine dayandığına dikkat etmek önemlidir, bu nedenle kuvvet alanı parametrelerinin moleküllerin doğru geometrilerini korumalarını sağlamak için yeterince iyi olması ve 3T yörüngesinin ne çökmesi (türler arası çekim çok güçlü) ne de patlaması (...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

3T algoritmasının temel avantajı, çok ölçekli tensör gradyan geri yayılımı yoluyla yapı minimizasyonunu hiyerarşik bir şekilde gerçekleştirerek önemsiz yerel enerji minimumlarından kolayca kaçabilen hızlı yapı enerji minimizasyonunu sağlama yeteneğidir. Bu nedenle, 3T optimizatörü, diğer yapı enerji minimizasyon algoritmalarını kullanarak optimize edilmesi daha zor olan karmaşık sistemlerde fiziksel düşük enerjili yapılar üretme eğilimindedir24. Yapı dönüşümü ve gradyan geri yayılım tamamen PyTorc...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

3T-VASP kodu halka açıktır (https://www.github.com/jpmailoa/External_3T) ve Tencent Cloud'daki Tencent Elastic First-principle Simulation (TEFS) platformunda ticari bir hizmet olarak sunulmaktadır. Yazarlar ek bir çıkar çatışması beyan etmemektedir.

Teşekkürler

Bu çalışma, Zhejiang'ın "Öncü" ve "Önde Gelen Kaz" Ar-Ge Programı, 2025C01222 hibe numarasından sağlanan finansmanla desteklenmektedir. Hesaplama çalışması Tencent tarafından finanse edildi ve Tencent Bulut bilişim sistemindeki Tencent Elastic First-principles Simulation (TEFS) platformu kullanılarak gerçekleştirildi.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
CondaCondaConda'yı Linux makinesine kurmak için resmi talimatlar şurada bulunabilir: https://docs.conda.io/projects/conda/en/stable/user-guide/install/linux.html 
GROMACS yazılımıBiyofiziksel Kimya Bölümü, Groningen Üniversitesi2021.3Gromacs yürütülebilir sürümü 18 Ağustos 2021'den itibaren. En yeni sürümdeki standart yürütülebilir dosya da çalışmalıdır, ancak henüz test edilmemiştir. 3T conda ortamında GROMACS için kurulum talimatları şu bağlantıda bulunabilir: https://manual.gromacs.org/documentation/2021.3/download.html ve https://manual.gromacs.org/2021.3/install-guide/index.html
InterMol yazılımıGömlek Grubu, Colorado Boulder ÜniversitesiExternal_3T sürümüShirts grubu tarafından geliştirilen orijinal InterMol kodunda Gromacs > LAMMPS kuvvet alanı dönüşümüyle ilişkili bir hata var. Bu hatayı düzeltmek için External_3T Github dağıtımında bulunan InterMol sürümü gereklidir.
JoVE makale giriş dosyalarıTencent Kuantum LaboratuvarıBu JoVE el yazması için giriş dosyası örnekleri, https://www.github.com/jpmailoa/External_3T adresindeki 3T-VASP Github sayfasından edinilebilir.
JoVE makale komut dosyalarıTencent Kuantum LaboratuvarıBu JoVE el yazması için Python komut dosyaları, https://www.github.com/jpmailoa/External_3T adresindeki 3T-VASP Github sayfasından edinilebilir.
VASP yazılımıHesaplamalı Malzeme Fiziği, Fizik Bölümü, Viyana ÜniversitesiVasp.6.2.117 Mayıs 2021'den itibaren VASP yürütülebilir sürümü. En yeni sürümdeki standart paralel VASP yürütülebilir dosyası da henüz test edilmemiş olsa da çalışmalıdır. VASP için talimatlar ve eğitimler şu bağlantılarda bulunabilir: https://www.vasp.at/
https://www.vasp.at/tutorials/latest/  
VMD yazılımıTeorik ve Hesaplamalı Biyofizik Grubu, Urbana-Champaign'deki Illinois Üniversitesi1.9.3En yeni sürümde standart VMD yürütülebilir dosyası.

Kaynaklar

  1. Cao, X., et al. Effects of fluorinated solvents on electrolyte solvation structures and electrode/electrolyte interphases for lithium metal batteries. Proc Natl Acad Sci U S A. 118 (9), e2020357118(2021).
  2. Campion, C. L., Li, W., Lucht, B. L. Thermal decomposition of LiPF6-based electrolytes for lithium-ion batteries. J Electrochem Soc. 152 (12), A2327-A2334 (2005).
  3. Kanayama, K., Takahashi, S., Nakamura, H., Tezuka, T., Maruta, K. Experimental and modeling study on pyrolysis of ethylene carbonate/dimethyl carbonate mixture. Combust Flame. , 245(2022).
  4. Gachot, G., et al. Gas chromatography/Fourier transform infrared/mass spectrometry coupling: A tool for Li-ion battery safety field investigation. Anal Methods. 6 (15), 6120-6124 (2014).
  5. Bai, L., et al. Permanent gas analysis using gas chromatography with vacuum ultraviolet detection. J Chromatogr A. 1388, 244-250 (2015).
  6. Gao, Y., et al. Polymer-inorganic solid-electrolyte interphase for stable lithium metal batteries under lean electrolyte conditions. Nat Mater. 18 (4), 384-389 (2019).
  7. Wang, L. -P., et al. Discovering chemistry with an ab initio nanoreactor. Nat Chem. 6 (12), 1044-1048 (2014).
  8. Leung, K., Budzien, J. L. Ab initio molecular dynamics simulations of the initial stages of solid-electrolyte interphase formation on lithium ion battery graphitic anodes. Phys Chem Chem Phys. 12 (25), 6583-6586 (2010).
  9. Blumberger, J., Tateyama, Y., Sprik, M. Ab initio molecular dynamics simulation of redox reactions in solution. Comput Phys Commun. 169 (1-3), 256-261 (2005).
  10. Batzner, S., et al. E(3)-equivariant graph neural networks for data-efficient and accurate interatomic potentials. Nat Commun. 13 (3), 2453(2022).
  11. Park, C. W., et al. Accurate and scalable graph neural network force field and molecular dynamics with direct force architecture. npj Comput Mater. 7, 73(2021).
  12. Mailoa, J. P., et al. A fast neural network approach for direct covariant forces prediction in complex multi-element extended systems. Nat Mach Intell. 1, 471-479 (2019).
  13. Chmiela, S., Sauceda, H. E., Müller, K. R., Tkatchenko, A. Towards exact molecular dynamics simulations with machine-learned force fields. Nat Commun. 9, 3887(2018).
  14. Schütt, K. T., Sauceda, H. E., Kindermans, P. J., Tkatchenko, A., Müller, K. R. SchNet-A deep learning architecture for molecules and materials. J Chem Phys. 148 (24), 241722(2018).
  15. Zhang, L., Han, J., Wang, H., Car, R. E. W. Deep potential molecular dynamics: A scalable model with the accuracy of quantum mechanics. Phys Rev Lett. 120 (14), 143001(2018).
  16. Musaelian, A., et al. Learning local equivariant representations for large-scale atomistic dynamics. Nat Commun. 14, 579(2023).
  17. Fu, Y., Bernasconi, L., Liu, P. Ab initio molecular dynamics simulations of the SN1/SN2 mechanistic continuum in glycosylation reactions. J Am Chem Soc. 143 (3), 1577-1589 (2021).
  18. Ghoussoub, M., Yadav, S., Ghuman, K. K., Ozin, G. A., Singh, C. V. Metadynamics-biased ab initio molecular dynamics study of heterogeneous CO2 reduction via surface frustrated Lewis pairs. ACS Catal. 6 (10), 7109-7117 (2016).
  19. Tummanapelli, A. K., Vasudevan, S. Estimating successive pKa values of polyprotic acids from ab initio molecular dynamics using metadynamics: The dissociation of phthalic acid and its isomers. Phys Chem Chem Phys. 17 (9), 6383-6388 (2015).
  20. Mailoa, J. P., Li, X., Qiu, J., Zhang, S. Multi-constraint molecular generation using sparsely labelled training data for localized high-concentration electrolyte diluent screening. Digit Discov. 2, 1390-1403 (2023).
  21. Abbott, J. W., Hanke, F. Kinetically corrected Monte Carlo-molecular dynamics simulations of solid electrolyte interphase growth. J Chem Theory Comput. 18 (2), 925-934 (2022).
  22. Kresse, G., Furthmüller, J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Phys Rev B. 54 (16), 11169-11186 (1996).
  23. Mailoa, J. P., Ye, Z., Qiu, J., Hsieh, C. -Y., Zhang, S. Protein-ligand complex generator & drug screening via tiered tensor transform. arXiv. , (2023).
  24. Mailoa, J. P., Li, X., Zhang, S. 3T-VASP: fast ab-initio electrochemical reactor via multi-scale gradient energy minimization. Nat Commun. 15, 10140(2024).
  25. Berendsen, H. J. C., van der Spoel, D., van Drunen, R. GROMACS: A message-passing parallel molecular dynamics implementation. Comput Phys Commun. 91 (1-3), 43-56 (1995).
  26. Shirts, M. R., et al. Lessons learned from comparing molecular dynamics engines on the SAMPL5 dataset. J Comput Aided Mol Des. 31 (1), 147-161 (2017).
  27. Linux kernel source tree. , https://github.com/torvalds/linux (2025).
  28. Miniconda software distribution. , https://docs.conda.io/projects/conda/en/stable/user-guide/install/linux.html (2025).
  29. Zoete, V., Cuendet, M. A., Grosdidier, A., Michielin, O. SwissParam: A fast force field generation tool for small organic molecules. J Comput Chem. 32 (11), 2359-2368 (2012).
  30. Dodda, L. S., De Vaca, I. C., Tirado-Rives, J., Jorgensen, W. L. LigParGen web server: An automatic OPLS-AA parameter generator for organic ligands. Nucleic Acids Res. 45 (W1), W331-W336 (2017).
  31. Humphrey, W., Dalke, A., Schulten, K. VMD: visual molecular dynamics. J Mol Graph. 14 (1), 33-38 (1996).
  32. Hermes, E. D., Sargsyan, K., Najm, H. N., Zádor, J. Sella, an open-source automation-friendly molecular saddle point optimizer. J Chem Theory Comput. 18 (11), 6974-6988 (2022).
  33. Martinez, L., Andrade, R., Birgin, E. G., Martinez, J. M. PackMol: A package for building initial configurations for molecular dynamics simulations. J Comput Chem. 30 (13), 2157-2164 (2012).
  34. Thompson, A. P., et al. LAMMPS-a flexible simulation tool for particle-based materials modeling at the atomic, meso, and continuum scales. Comput Phys Commun. 271, 108171(2022).
  35. Landry, C. A., Bergeron, J. G., Mathieu, O., Gering, K. L., Thomas, J. C. Density modeling of battery electrolyte mixtures. Batteries. 11 (2), 44(2025).
  36. Elstner, M., et al. Self-consistent-charge density-functional tight-binding method for simulations of complex materials properties. Phys Rev B. 58 (11), 7260-7268 (1998).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Batarya Elektrolit ReaksiyonlarElektrokimyasal Reaksiyon YollarLityum yon BataryalarKat Elektrolit Aray z3T VASP AkYo unluk Fonksiyonel TeorisiElektrolit Yan r nleriAb Initio Sim lasyonuPeriyodik S n r Ko ullar
3T-VASP Çok Ölçekli Enerji Minimizasyonu Kullanarak Hızlı In-silico Pil Elektrolit Elektrokimyasal Reaksiyon Üretimi
Bize ulaşın
Kütüphaneye tavsiye et

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Telif hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.