机器学习势 M3GNet（或 DFT）预测锂电池材料中锂嵌入势

M3GNet机器学习势，支持GPU加速，安装该势函数的时候，就需要选择相应的版本（当然前提是机器本身有用于GPU计算的显卡）。安装过程参考：机器学习力场的安装

因为 M3GNET 是针对这类锂电池材料结构的能量而训练得到的力场，因此能够很好地、符合预期地再现这些材料中的 Li 嵌入势。下图是 M3GNET 与 DFT 或实验结果的对比：

因此 M3GNET 可以用于筛选未知材料，或快速评估给定成分的 Li 嵌入势。不过 M3GNET 无法很好地描述脱锂前后体积的变化，因为它是基于 PBE(+U) 训练的，并且一些相关材料的结构没有用该理论水平很好地描述（理想情况下，结构应使用 BAND 和SCAN泛函进行计算）。

本文提供了一个基于 PLAMS 的 Python 脚本，可以调用 M3GNET 力场或者基于DFT的 BAND 模块进行计算，对不同材料的Li嵌入势进行筛选。其中 Li 嵌入势的定义，例如对 Li$_n$O$_6$Ti$_3$：

V$_{Li}$ = [E(Li$_n$O$_6$Ti$_3$) -E(O$_6$Ti$_3$）-E(Li)*n]/n

脚本还计算了晶胞体积变化：V(O$_6$Ti$_3$) - V(Li$_n$O$_6$Ti$_3$)

下载压缩文件并解压，得到一个 cif 文件夹以及一个 Python 脚本名为 Li_potential.py。其中 cif 文件夹存放的是样本结构，可以存放多个。筛选时，用户可以基于这些样本结构，分别替换其中的过渡金属和氧元素，然后计算上述两种数据。

用户可以通过如下2行修改过渡元素和替换氧元素的元素列表：

tm_list = ['Ti','V','Cr','Co','Mn','Fe','Ni']
anion_list = ['O','S']

其中

• 第一行，用户自行输入过渡金属元素符号，带单引号，用逗号隔开
• 第二行输入替代O元素的元素，这里写了O、S，表示O本身也需要计算

运行作业：AMSJobs 进入该脚本所在文件夹（注意该文件夹所在路径不能包含中文、空格），菜单栏 Help → Command-line 打开命令行，输入 sh 回车，输入 amspython Li_potential.py 回车，屏幕上将输出需要信息：

Microsoft Windows [版本 10.0.22621.1702]
(c) Microsoft Corporation。保留所有权利。

D:\ADF_DATA\Task\Li_potential>sh
sh-4.4$ amspython
Li_potential.py    cif/               plams_workdir.002/ plams_workdir.004/
Li_potential.rar   plams_workdir/     plams_workdir.003/ plams_workdir.005/
sh-4.4$ amspython Li_potential.py
PLAMS working folder: D:\ADF_DATA\Task\Li_potential\plams_workdir.006
[16.05|11:30:22] JOB Li3O6Ti3 STARTED
[16.05|11:30:22] JOB Li3O6Ti3 RUNNING
[16.05|11:30:35] JOB Li3O6Ti3 FINISHED
[16.05|11:30:36] JOB Li3O6Ti3 SUCCESSFUL
Li3O6Ti3 was done, with 3 Li atoms in lattice, Volume of Cell: 103.70216 Angstrom^3
[16.05|11:30:36] JOB O6Ti3 STARTED
[16.05|11:30:36] JOB O6Ti3 RUNNING
[16.05|11:30:51] JOB O6Ti3 FINISHED
[16.05|11:30:51] JOB O6Ti3 SUCCESSFUL
O6Ti3 was done, with 0 Li atoms in lattice, Volume of Cell: 102.69002 Angstrom^3
Li3O6Ti3 → O6Ti3 Cell Volume Change: -0.33738000000000073  Angstrom^3
Li intercallation potential of Li3O6Ti3 : 2.3401228462519685 Volts
>>> Li3O6Ti3 -0.337 2.340
以下省略

即：

• Li3O6Ti3 的晶胞体积为 103.70216 Angstrom$^3$
• O6Ti3 的晶胞体积为 102.69002 Angstrom$^3$
• Li3O6Ti3 → O6Ti3 每个 Li 原子引起的体积变化为 (103.70216-102.69002)/3 = 0.33738 Angstrom$^3$
• Li 嵌入势为 2.3401228462519685 Volts
• 数据汇总：Li3O6Ti3， -0.337 Angstrom$^3$， 2.340 Volts

脚本中如下一行

model = 'm3gnet' # m3gnet, band

改为

model = 'band' # m3gnet, band

即调用 AMS 中的 BAND 模块进行计算，默认使用 TZP 基组、SCAN-D3 泛函，当然用户可以改为小一些的基组例如 DZP：

        s.input.band.Basis.Type = 'TZP'

改为

        s.input.band.Basis.Type = 'DZP'

即可。