《Computational Materials Science》：High-throughput Cambridge structural database screening for sodium-conducting polymer electrolytes
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钠离子导体高通量筛选与性能预测研究首次利用剑桥结构数据库（CSD）2024/2版本筛选出1574种高Na:C比化合物，通过晶体结构拓扑分析（GT）识别出424种具有1D/2D/3D钠离子迁移通道的结构，结合键价位点能（BVSE）计算发现216种迁移能低于0.5eV，最终选出45种具有3D钠离子扩散通道的高潜力材料，并通过第一性原理分子动力学模拟验证其室温离子电导率达10^-3至10^-4 S/cm。
作者：叶利扎维塔·A·莫尔霍娃（Yelizaveta A. Morkhova）、埃利扎维塔·D·梅尔兹利亚科娃（Elizaveta D. Merzlyakova）、米哈伊尔·I·斯莫尔科夫（Mikhail I. Smolkov）、阿尔乔姆·A·卡巴诺夫（Artem A. Kabanov）
所属机构：俄罗斯萨马拉国立技术大学（Samara State Technical University），地址：莫洛多格瓦尔杰伊斯卡亚街244号（Molodogvardeyskaya St. 244），萨马拉443100
摘要
首次对剑桥结构数据库（Cambridge Structural Database，版本2024/2）进行了高通量筛选，以寻找具有高钠离子导电性的新型聚合物有机晶体电解质。在初步阶段，从该数据库中筛选出了1574种含有钠的化合物，这些化合物的Na:C比例达到或超过1:20，从而确保了较高的载流子浓度。随后利用ToposPro软件对这些化合物进行了几何拓扑分析，发现其中424种化合物具有周期性钠离子迁移通道（一维、二维或三维）。对于这些有潜力的候选材料，使用softBV程序中的键价位点能量方法（Bond Valence Site Energy method）计算了它们的迁移能垒。其中216种化合物的迁移能垒低于0.5电子伏特。研究还表明，具有三维迁移通道的化合物具有最宽的迁移路径。基于这些结果，我们选出了45种钠离子迁移能极低的化合物，认为它们是极具潜力的钠离子导电材料。最后，对最具前景的6种化合物进行了从头算分子动力学（ab initio molecular dynamics）模拟，结果显示其在298 K时的离子导电性约为10^-3至10^-4 S cm^-1，这证明了晶体化学方法在前期研究中的有效性。
引言
三十多年来，锂离子电池（Li-ion batteries, LIBs）一直是现代便携式电源的核心。然而，锂资源的全球储量有限且分布不均，加之锂离子电池存在安全问题，这些都限制了其在全球范围内的应用。因此，人们开始寻找具有类似电化学特性的替代金属离子电池，这些电池应更易获取、更安全且成本更低[1],[2]。钠离子电池（Sodium-ion batteries, SIBs）是其中最有前景的替代品之一，其工作原理与锂离子电池类似[3],[4],[5],[6],[7]。由于地壳中钠的含量丰富且成本低廉，钠离子电池成为更理想的替代方案。然而，现有的钠离子电池主要使用液态有机电解质，这类电解质通常易燃且具有毒性[8],[9],[10]。聚合物离子导电材料属于固态电解质的一种，具有不可燃性，并且在化学、热学和机械性能方面更加稳定[11]；此外，它们还具有结构柔韧性和与电极材料更好的兼容性[12]。不过，这类材料在室温下的导电性相对较低，这是其广泛应用的主要限制[13]。目前大多数研究的钠离子导电聚合物电解质由有机聚合物基质中的钠盐组成，在标准条件下的导电性通常不超过10^-5至10^-6 S cm^-1[12],[14]。其中，ZIF-8结构在浸渍含钠盐离子液体（Na_0.1EMIM_0.9TFSI）后，实现了约10^-4 S cm^-1的室温导电性[15]。本研究旨在寻找新型含钠晶体聚合物材料，为此我们首次对剑桥结构数据库（CSD，版本2024/2）进行了大规模筛选。在固态聚合物电解质中，所谓的单离子导电聚合物电解质尤其值得关注，因为在这种结构中，离子导电性完全依赖于阳离子的迁移[8],[13],[16],[17]。为此，我们从CSD中筛选出了Na:C比例至少为1:20的化合物。
为了定量分析导电性能，我们采用了多种方法：通过几何拓扑（GT）分析识别钠离子可扩散的孔隙和通道；利用键价位点能量（BVSE）方法估算钠离子的迁移能；并通过从头算分子动力学（AIMD）模拟验证最有潜力化合物中的钠离子迁移情况。
研究对象的筛选过程
最初从CSD中筛选出的化合物必须包含钠（Na）、碳（C）、氧（O）和氮（N）等元素，但不包含其他金属。这一标准确保了离子导电性仅由钠离子（Na^+）贡献。随后，我们去除了重复条目以及单元格中钠离子含量较低的化合物（采用常规的Na:C比例≥1:20以确保较高的载流子浓度）。
结果与讨论
在筛选出的1574种化合物中，通过几何拓扑分析发现424种化合物具有周期性的一维、二维或三维钠离子迁移通道，而这些化合物此前并未被报道为导电聚合物电解质。根据迁移通道的特性，我们将其分类为不同类型（见图2）。
结论
首次通过筛选剑桥结构数据库，成功发现了新型钠离子导电晶体聚合物材料。研究过程首先通过几何拓扑分析评估了化合物中的孔隙和通道大小，以判断钠离子的潜在扩散路径；随后计算了具有周期性迁移通道化合物的钠离子迁移能。
作者贡献说明
叶利扎维塔·A·莫尔霍娃（Yelizaveta A. Morkhova）负责撰写、审稿与编辑、方法论设计、实验研究及概念构建；
埃利扎维塔·D·梅尔兹利亚科娃（Elizaveta D. Merzlyakova）负责软件开发与方法论研究；
米哈伊尔·I·斯莫尔科夫（Mikhail I. Smolkov）负责软件开发；
阿尔乔姆·A·卡巴诺夫（Artem A. Kabanov）负责撰写、审稿与编辑、实验监督、方法论设计及资金筹集。
资金来源
作者感谢俄罗斯科学基金会（Russian Science Foundation）（项目编号25–73-20115，链接：[https://rscf.ru/project/25-73-20115/】对理论研究的财政支持。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究使用了“Zeolite”和“Neva”超级计算机（萨马拉理论材料科学中心）的计算资源进行密度泛函理论（DFT）计算。
