一種預測鋰離子電池材料電化學性能的仿真方法與流程
2023-05-12 23:10:16
本發明涉及鋰離子電池技術領域，特別是一種預測鋰離子電池材料電化學性能的仿真方法。
背景技術：
鋰離子電池由於能量密度高、無記憶效應和自放電率低等優點，在可攜式電子產品中得到了廣泛的應用，並且成為車用動力電池的首選。隨著電動汽車產業化的逐步深入，世界各國均加大動力電池產業的發展力度，如何提高和優化電池材料性能是學術界和產業界關注的熱點。
摻雜、包覆、形貌尺寸調控等性能優化技術廣泛用於鋰離子電池材料的研究，一系列性能各異的鋰離子電池正極、負極材料應運而生。目前評價電池材料電化學性能的方法主要是將材料做成電池器件，採用電化學方法進行測試和表徵，存在以下制約：
如針對新型材料評價結果的可靠性和重現性不高。材料技術的快速發展，使很多新結構、新體系、新組分材料用於鋰離子電池成為可能。然而，上述材料對器件的製備工藝和環境控制提出了更高要求，運用傳統器件製備工藝和製程控制在評價新型材料的電化學性能時存在可靠性不好、重現性不高的問題。
如器件製備和測試周期長。鋰離子電池的製備工藝複雜，包括「製漿-塗布-製片-裝配-注液-化成」等步驟，其中還涉及多個乾燥工序，整個器件製作周期需要十天以上；同時，器件測試也需要消耗大量時間成本，如倍率充放電、循環充放電等等。
如測試過程難以實時反映電池內部電極材料發生的變化。鋰離子電池是一個封閉系統，在進行以結果為導向的充放電測試時，內部電極材料發生的微觀變化難以得到實時的反映。
技術實現要素：
本發明的最主要目的在於提供了一種預測鋰離子電池材料電化學性能的仿真方法，具有測試周期短、準確性高和可靠性好的特點。
本發明可以通過以下技術方案來實現：
本發明公開了一種預測鋰離子電池材料電化學性能的仿真方法，包括以下步驟：
步驟1、特徵參數的獲取：通過測試，獲取電極材料的形貌和粒度分布特徵，得到材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息；
步驟2、物理模型的建立：根據材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息，分別建立正極和負極的物理模型；
步驟3、數學模型的建立：使用菲克擴散方程或拋物線方程描述鋰離子在正極和負極一次顆粒中的擴散行為；使用巴特勒-福爾默方程表示一次顆粒表面發生的電化學反應；電解液中載流子的擴散阻力用使用等效電阻表示；並在正極和負極顆粒上應用能量守恆和電荷守恆方程；
步驟4、仿真計算、根據步驟2中鋰離子電池設計方案中各組分的性質，賦予步驟3數學模型中正極和負極相關熱力學、動力學參數；並進行數值仿真計算，預測電池的充放電曲線、倍率充放電性能。
進一步地，步驟1所述的測試其測試方法包括sem表面形貌和/或雷射粒度分析。
進一步地，所述電極材料包括正極材料和/或負極材料。
進一步地，所述正極材料為鎳鈷錳三元材料、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰和/或磷酸錳鋰中的一種或兩種以上。
進一步地，所述負極材料為人造石墨、天然石墨、中間相碳微球和/或鈦酸鋰中的一種或兩種以上。
本發明預測鋰離子電池材料電化學性能的仿真方法具有如下有益的技術效果：
第一、測試周期短，傳統的實驗測試方法相比，由於實驗方法製成器件需要十天以上的周期，電化學測試也需要一定的時間，本發明可以快速評估材料製備成器件後的電化學性能，所需的時間成本低；
第二、準確性高，由於鋰離子電池是個封閉系統，傳統實驗測試方法通過測試結果進行反推，預測內部發生的變化，不能實現實時監控，而本發明基於電化學反應機理，建立在嚴格理論框架和大量電池數據積累之上，預測的準確性高。並且可以實時動態反應工作過程中材料和電池內部發生的變化；
第三、可靠性好，使用本發明的仿真方法，減少了實驗過程的環境控制和人為幹擾，重現性和可靠性高。。
具體實施方式
為了使本技術領域的人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合實施例及對本發明產品作進一步詳細的說明。
實施例1
本發明公開了一種預測鋰離子電池材料電化學性能的仿真方法，包括以下步驟：
步驟1、特徵參數的獲取：通過測試，獲取電極材料的形貌和粒度分布特徵，得到材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息；
步驟2、物理模型的建立：根據材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息，分別建立正極和負極的物理模型；
步驟3、數學模型的建立：使用菲克擴散方程或拋物線方程描述鋰離子在正極和負極一次顆粒中的擴散行為；使用巴特勒-福爾默方程表示一次顆粒表面發生的電化學反應；電解液中載流子的擴散阻力用使用等效電阻表示；並在正極和負極顆粒上應用能量守恆和電荷守恆方程；
步驟4、仿真計算、根據步驟2中鋰離子電池設計方案中各組分的性質，賦予步驟3數學模型中正極和負極相關熱力學、動力學參數；並進行數值仿真計算，預測電池的充放電曲線、倍率充放電性能、內部鋰離子濃度分布等。
在本實施例中，步驟1所述的測試其測試方法包括sem表面形貌和/或雷射粒度分析。使用雷射粒度方法對材料進行測試，獲得材料二次顆粒粒度分布信息；採用sem測試方法對材料測試，得到材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息，並根據雷射粒度的測試結果，選取二次顆粒尺寸為中位數的顆粒，在sem圖樣上隨機選取至少50個點測試，取平均值後獲得一次顆粒尺寸。
在本實施例中，所述電極材料包括正極材料和負極材料。所述正極材料為鎳鈷錳三元材。所述負極材料為人造石墨。
實施例2
本發明公開了一種預測鋰離子電池材料電化學性能的仿真方法，包括以下步驟：
步驟1、特徵參數的獲取：通過測試，獲取電極材料的形貌和粒度分布特徵，得到材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息；
步驟2、物理模型的建立：根據材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息，分別建立正極和負極的物理模型；
步驟3、數學模型的建立：使用菲克擴散方程或拋物線方程描述鋰離子在正極和負極一次顆粒中的擴散行為；使用巴特勒-福爾默方程表示一次顆粒表面發生的電化學反應；電解液中載流子的擴散阻力用使用等效電阻表示；並在正極和負極顆粒上應用能量守恆和電荷守恆方程；
步驟4、仿真計算、根據步驟2中鋰離子電池設計方案中各組分的性質，賦予步驟3數學模型中正極和負極相關熱力學、動力學參數；並進行數值仿真計算，預測電池的充放電曲線、倍率充放電性能、內部鋰離子濃度分布等。
在本實施例中，步驟1所述的測試其測試方法包括sem表面形貌和雷射粒度分析。使用雷射粒度方法對材料進行測試，獲得材料二次顆粒粒度分布信息；採用sem測試方法對材料測試，得到材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息，並根據雷射粒度的測試結果，選取二次顆粒尺寸為中位數的顆粒，在sem圖樣上隨機選取至少50個點測試，取平均值後獲得一次顆粒尺寸。
在本實施例中，所述電極材料包括正極材料和負極材料。所述正極材料為磷酸鐵鋰。所述負極材料為天然石墨。
實施例3
本發明公開了一種預測鋰離子電池材料電化學性能的仿真方法，包括以下步驟：
步驟1、特徵參數的獲取：通過測試，獲取電極材料的形貌和粒度分布特徵，得到材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息；
步驟2、物理模型的建立：根據材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息，分別建立正極和負極的物理模型；
步驟3、數學模型的建立：使用菲克擴散方程或拋物線方程描述鋰離子在正極和負極一次顆粒中的擴散行為；使用巴特勒-福爾默方程表示一次顆粒表面發生的電化學反應；電解液中載流子的擴散阻力用使用等效電阻表示；並在正極和負極顆粒上應用能量守恆和電荷守恆方程；
步驟4、仿真計算、根據步驟2中鋰離子電池設計方案中各組分的性質，賦予步驟3數學模型中正極和負極相關熱力學、動力學參數；並進行數值仿真計算，預測電池的充放電曲線、倍率充放電性能、內部鋰離子濃度分布等。
在本實施例中，步驟1所述的測試其測試方法包括sem表面形貌或雷射粒度分析。使用雷射粒度方法對材料進行測試，獲得材料二次顆粒粒度分布信息；採用sem測試方法對材料測試，得到材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息，並根據雷射粒度的測試結果，選取二次顆粒尺寸為中位數的顆粒，在sem圖樣上隨機選取至少50個點測試，取平均值後獲得一次顆粒尺寸。
在本實施例中，所述電極材料包括正極材料和負極材料。所述正極材料為鈷酸鋰和磷酸錳鋰。所述負極材料為中間相碳微球和鈦酸鋰。
實施例4
本發明公開了一種預測鋰離子電池材料電化學性能的仿真方法，包括以下步驟：
步驟1、特徵參數的獲取：通過測試，獲取電極材料的形貌和粒度分布特徵，得到材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息；
步驟2、物理模型的建立：根據材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息，分別建立正極和負極的物理模型；
步驟3、數學模型的建立：使用菲克擴散方程或拋物線方程描述鋰離子在正極和負極一次顆粒中的擴散行為；使用巴特勒-福爾默方程表示一次顆粒表面發生的電化學反應；電解液中載流子的擴散阻力用使用等效電阻表示；並在正極和負極顆粒上應用能量守恆和電荷守恆方程；
步驟4、仿真計算、根據步驟2中鋰離子電池設計方案中各組分的性質，賦予步驟3數學模型中正極和負極相關熱力學、動力學參數；並進行數值仿真計算，預測電池的充放電曲線、倍率充放電性能、內部鋰離子濃度分布等。
在本實施例中，步驟1所述的測試其測試方法包括sem表面形貌和/或雷射粒度分析。使用雷射粒度方法對材料進行測試，獲得材料二次顆粒粒度分布信息；採用sem測試方法對材料測試，得到材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息，並根據雷射粒度的測試結果，選取二次顆粒尺寸為中位數的顆粒，在sem圖樣上隨機選取至少50個點測試，取平均值後獲得一次顆粒尺寸。
在本實施例中，所述電極材料包括正極材料和負極材料。所述正極材料為錳酸鋰和磷酸錳鋰。所述負極材料為人造石墨和鈦酸鋰。
實施例5
本發明公開了一種預測鋰離子電池材料電化學性能的仿真方法，包括以下步驟：
步驟1、特徵參數的獲取：通過測試，獲取電極材料的形貌和粒度分布特徵，得到材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息；
步驟2、物理模型的建立：根據材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息，分別建立正極和負極的物理模型；
步驟3、數學模型的建立：使用菲克擴散方程或拋物線方程描述鋰離子在正極和負極一次顆粒中的擴散行為；使用巴特勒-福爾默方程表示一次顆粒表面發生的電化學反應；電解液中載流子的擴散阻力用使用等效電阻表示；並在正極和負極顆粒上應用能量守恆和電荷守恆方程；
步驟4、仿真計算、根據步驟2中鋰離子電池設計方案中各組分的性質，賦予步驟3數學模型中正極和負極相關熱力學、動力學參數；並進行數值仿真計算，預測電池的充放電曲線、倍率充放電性能、內部鋰離子濃度分布等。
在本實施例中，步驟1所述的測試其測試方法包括sem表面形貌和/或雷射粒度分析。使用雷射粒度方法對材料進行測試，獲得材料二次顆粒粒度分布信息；採用sem測試方法對材料測試，得到材料的一次顆粒和二次顆粒形貌和尺寸信息，並根據雷射粒度的測試結果，選取二次顆粒尺寸為中位數的顆粒，在sem圖樣上隨機選取至少50個點測試，取平均值後獲得一次顆粒尺寸。
在本實施例中，所述電極材料包括正極材料和負極材料。所述正極材料為鎳鈷錳三元材料、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰和磷酸錳鋰。所述負極材料為人造石墨、天然石墨、中間相碳微球和鈦酸鋰。
本發明提供一種預測鋰離子電池材料電化學性能的仿真方法。首先採用實驗方法，獲得材料的形貌尺寸，根據材料特點設計鋰離子電池，建立物理模型；隨後用數學語言描述鋰離子電池工作過程的物理化學反應機理；最後，定義不同的參變量模擬應用場景，以「虛擬實驗」的方式描述電池的電化學行為，獲得材料的電化學性能。由於採用計算機進行仿真運算，可以有效縮短研究的時間和人力成本；同時，模型基於電化學反應機理，建立在嚴格理論框架和大量電池數據積累之上，預測的準確性高。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制；凡本行業的普通技術人員均可按說明書所示和以上所述而順暢地實施本發明；但是，凡熟悉本專業的技術人員在不脫離本發明技術方案範圍內，可利用以上所揭示的技術內容而作出的些許更動、修飾與演變的等同變化，均為本發明的等效實施例；同時，凡依據本發明的實質技術對以上實施例所作的任何等同變化的更動、修飾與演變等，均仍屬於本發明的技術方案的保護範圍之內。