如何计算电解质溶液中溶剂化结构：SSIP/CIP/AGG-附示意图

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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在全球 “双碳” 目标与新能源革命的驱动下，锂电池、钠金属电池、铝离子电池等储能技术正迎来性能突破的关键期。然而，电解液作为这些器件的 “血液”，其微观溶剂化结构 —— 即溶剂分离离子对（SSIP）、接触离子对（CIP）与聚集体（AGG）的动态平衡 —— 始终是决定电池导电性、稳定性与循环寿命的核心瓶颈。

传统实验手段难以捕捉原子尺度的结构演变，而分子动力学（MD）模拟的出现，正成为突破这一局限的 “微观透视镜”，为电解液配方优化与储能技术升级提供全新路径。

电解质溶剂化结构为何成储能技术 “胜负手”？

近期，多项顶刊研究成果直指溶剂化结构的关键作用：字节跳动团队开发的 BAMBOO 机器学习力场框架，通过 MD 模拟实现了锂电池电解质密度、粘度等关键参数的精准预测，平均密度误差仅 0.01 g・cm⁻³；南开大学李福军团队则通过调控 Li⁺溶剂化环境，构建阴离子增强的溶剂化结构，使锂氧气电池负极库伦效率从 25% 提升至 80% 以上，循环寿命突破 1000 小时；麻省理工学院李巨团队的混合溶剂化电解质策略，更让钠金属电池在 5.0 mA cm⁻² 高电流密度下实现 2000 圈稳定循环。

溶剂化结构示意图

图片源自网络，版权归原作者

这些突破的背后，本质是对 SSIP、CIP、AGG 三类溶剂化结构的精准调控：

溶剂分离离子对（SSIP）：阴阳离子被溶剂分子完全分隔，形成独立的溶剂化鞘层，此时离子迁移阻力小，电解液导电性优异，但过度依赖溶剂可能导致电极界面副反应加剧；

接触离子对（CIP）：阴阳离子直接接触，溶剂分子仅部分包裹离子，虽离子迁移效率略降，但能减少溶剂与电极的直接反应，提升界面稳定性；

聚集体（AGG）：多个阴阳离子形成簇状聚集体，虽会降低导电性，但特定条件下可调控固体电解质界面（SEI）成分，抑制枝晶生长。

三类结构的比例分布，直接决定了电解液的离子电导率、界面稳定性与温度适应性 —— 而分子动力学模拟，正是量化分析这一平衡的核心工具。

溶剂化结构示意图

图片源自网络，版权归原作者

电解质溶剂化结构的 “微观画像” 与模拟逻辑

要理解 MD 模拟如何解析溶剂化结构，首先需明确三类结构的微观特征与判断依据，其核心差异在于离子间距离与溶剂分子的介入状态：

溶剂化结构示意图

图片源自网络，版权归原作者

三类溶剂化结构的核心特征解析

（1）溶剂分离离子对（SSIP）

从微观形态来看，SSIP 呈现 “阴阳离子完全隔离” 的结构：阳离子与阴离子之间被一层完整的溶剂分子鞘层包裹，两者没有直接的原子接触，如同被屏障隔开的两个独立个体。在分子动力学模拟中，判断 SSIP 的关键指标十分明确：通过径向分布函数（RDF）分析时，阴阳离子对应的特征峰完全消失，意味着两者在原子尺度上无直接相互作用；而配位数计算结果显示，围绕阳离子的溶剂分子配位数通常大于 6，证明溶剂分子形成了致密的包裹层。这种结构带来的性能优势是离子迁移阻力极小，电解液的导电性表现优异，但弊端也同样突出 —— 过度依赖溶剂分子的包裹会导致电极界面的副反应加剧，影响器件的长期稳定性。

溶剂化结构示意图

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（2）接触离子对（CIP）

CIP 的核心特征是 “阴阳离子直接接触”：阳离子与阴离子的原子间形成直接作用，溶剂分子仅能在离子对的外部形成部分包裹层，无法介入两者之间，类似两个紧密相邻的粒子被薄纱轻度包裹。模拟层面的判断标准清晰可量化：RDF 分析中，阴阳离子在距离小于 0.35 nm 的范围内会出现明显的特征峰，表明两者存在直接的原子接触；配位数计算中，溶剂分子配位数会降至 3-5，远低于 SSIP 的数值。这种结构的性能表现更为均衡：离子迁移效率虽略逊于 SSIP，但能显著减少溶剂与电极表面的直接反应，有效提升电极界面的稳定性，促使形成更致密、稳定的固体电解质界面（SEI）膜，兼顾导电性与循环寿命。

溶剂化结构示意图

图片源自网络，版权归原作者

（3）聚集体（AGG）

AGG 是 “多离子簇状聚集” 结构：由 3 个及以上的阴阳离子相互作用形成簇状聚集体，离子之间紧密结合，溶剂分子难以穿透聚集簇的内部，仅能在聚集体表面形成少量包裹，如同多个粒子抱团形成的整体。模拟判断时，RDF 分析会出现多离子对应的特征峰，反映多个离子间的协同作用；配位数计算中，离子与离子之间的配位数大于 2，证明存在多个离子间的直接关联。从性能来看，AGG 的导电性相对较低，但在特定场景下具备独特价值 —— 其形成的聚集体可诱导生成无机成分丰富的 SEI 膜，这种膜结构能有效抑制金属枝晶的生长，对提升电池等器件的安全性与循环稳定性具有重要意义。

溶剂化结构示意图

图片源自网络，版权归原作者

（示意图注：阳离子以蓝色球、阴离子以红色球、溶剂分子以灰色球表示；SSIP 中蓝红两球被灰色球完全分隔，CIP 中蓝红两球直接接触，AGG 中多个蓝红两球形成簇状结构）

2. MD 模拟的核心分析手段

要从模拟轨迹中精准识别三类结构，需结合多种量化工具：

溶剂化结构示意图

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径向分布函数（RDF）：通过计算特定原子对（如 Li⁺-PF₆⁻）的概率密度分布，判断离子间是否直接接触 ——CIP 与 AGG 会在短距离（0.25-0.35 nm）出现明显峰值，SSIP 则无此峰；

配位数分析：统计围绕阳离子的溶剂分子数（溶剂配位数）与阴离子数（离子配位数），SSIP 的溶剂配位数通常＞6，而 CIP 的离子配位数≥1；

溶剂化鞘层可视化：直观呈现溶剂分子与离子的空间分布概率，可清晰观察溶剂化鞘层的厚度与完整性；

结构占比动力学统计：通过批量处理模拟轨迹数据，自动统计三类结构的占比的时间演变，量化不同温度、浓度下的结构转化规律。

例如，上海科技大学孙兆茹团队通过 Deep Potential MD 模拟，对比不同泛函（SCAN 与 PBE+TS-vdW）对 Mg²⁺第二水合壳层的影响，发现 SCAN 泛函能更精准捕捉 SSIP 向 CIP 的动态转化，其计算的 Mg²⁺溶剂配位数（13.26）与实验结果完全吻合，而 PBE+TS-vdW 因过度强化氢键，导致配位数计算偏差达 7%。

直播预告：手把手掌握溶剂化结构模拟与分析全流程

若你仍困惑于如何从 MD 轨迹中提取 SSIP/CIP/AGG 数据，或想掌握基于 Python 的自动化分析脚本，12 月 10 日 20 时（周三），仿真秀平台将推出《电解质溶液溶剂化结构（SSIP/CIP/AGG）计算实战》直播，由北京大学博士后、资深分子模拟专家、仿真秀优秀讲师刘十三主讲，带你攻克从概念到实操的全流程难点。

1、直播核心内容

（1）理论基础：拆解 SSIP/CIP/AGG 的物理本质与热力学依据，结合案例说明不同储能场景（锂电 / 钠电 / 铝电）下的最优结构比例；

（2）模拟实操：以 GROMACS 为例，演示从模拟轨迹提取 RDF、配位数数据的步骤，现场演示如何通过 SDF 直观呈现溶剂化鞘层结构；

（3）脚本工具：提供 Python 自动化统计脚本（含注释版），可直接用于批量处理轨迹文件，输出 SSIP/CIP/AGG 比例图表；

（4）热点问答：针对 “高浓度电解液中 AGG 的调控方法”“低温下 SSIP 向 CIP 转化的动力学机制” 等热点问题，结合顶刊案例现场解析。

2、适合人群

计算化学、材料模拟领域的研究生与科研人员；
锂电池、钠电池、超级电容器研发工程师；
物理化学、软物质科学方向学习者；
所有关注电解质微观结构与储能性能关联的研究者。

3、参与方式

识别下方二维码报名技术直播，欢迎联系官方客服加入“分子动力学专属交流群”，获取直播讲义和资料，提前提交技术疑问，讲师将在直播中优先解答！

分子动力学模拟-计算电解质溶液中溶剂化结构（SSIP/CIP/AGG）-仿真秀直播

从实验室到产业化，电解质溶剂化结构的精准调控已成为储能技术突破的核心抓手。本次直播将不仅带你理解 SSIP/CIP/AGG 的 “是什么”，更教会你 “如何算”“如何用”—— 无论你是刚入门 MD 模拟的新手，还是寻求进阶的资深研究者，都能在这里获得可直接落地的分析方法与技术思路，助力你的科研与项目突破！

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来源：仿真秀App

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首次发布时间：2025-12-09