一种预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法，包括以下步骤：步骤1、特征参数的获取：步骤2、物理模型的建立；步骤3、数学模型的建立；步骤4、仿真计算，最终预测电池的充放电曲线、倍率充放电、内部锂离子浓度分布等性能。本发明专利技术的预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法具有测试周期短、准确性高和可靠性好的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法
本专利技术涉及锂离子电池
，特别是一种预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法。
技术介绍
锂离子电池由于能量密度高、无记忆效应和自放电率低等优点，在便携式电子产品中得到了广泛的应用，并且成为车用动力电池的首选。随着电动汽车产业化的逐步深入，世界各国均加大动力电池产业的发展力度，如何提高和优化电池材料性能是学术界和产业界关注的热点。掺杂、包覆、形貌尺寸调控等性能优化技术广泛用于锂离子电池材料的研究，一系列性能各异的锂离子电池正极、负极材料应运而生。目前评价电池材料电化学性能的方法主要是将材料做成电池器件，采用电化学方法进行测试和表征，存在以下制约：如针对新型材料评价结果的可靠性和重现性不高。材料技术的快速发展，使很多新结构、新体系、新组分材料用于锂离子电池成为可能。然而，上述材料对器件的制备工艺和环境控制提出了更高要求，运用传统器件制备工艺和制程控制在评价新型材料的电化学性能时存在可靠性不好、重现性不高的问题。如器件制备和测试周期长。锂离子电池的制备工艺复杂，包括“制浆-涂布-制片-装配-注液-化成”等步骤，其中还涉及多个干燥工序，整个器件制作周期需要十天以上；同时，器件测试也需要消耗大量时间成本，如倍率充放电、循环充放电等等。如测试过程难以实时反映电池内部电极材料发生的变化。锂离子电池是一个封闭系统，在进行以结果为导向的充放电测试时，内部电极材料发生的微观变化难以得到实时的反映。
技术实现思路
本专利技术的最主要目的在于提供了一种预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法，具有测试周期短、准确性高和可靠性好的特点。本专利技术可以通过以下技术方案来实现：本专利技术公开了一种预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法，包括以下步骤：步骤1、特征参数的获取：通过测试，获取电极材料的形貌和粒度分布特征，得到材料的一次颗粒和二次颗粒形貌和尺寸信息；步骤2、物理模型的建立：根据材料的一次颗粒和二次颗粒形貌和尺寸信息，分别建立正极和负极的物理模型；步骤3、数学模型的建立：使用菲克扩散方程或抛物线方程描述锂离子在正极和负极一次颗粒中的扩散行为；使用巴特勒-福尔默方程表示一次颗粒表面发生的电化学反应；电解液中载流子的扩散阻力用使用等效电阻表示；并在正极和负极颗粒上应用能量守恒和电荷守恒方程；步骤4、仿真计算、根据步骤2中锂离子电池设计方案中各组分的性质，赋予步骤3数学模型中正极和负极相关热力学、动力学参数；并进行数值仿真计算，预测电池的充放电曲线、倍率充放电性能。进一步地，步骤1所述的测试其测试方法包括SEM表面形貌和/或激光粒度分析。进一步地，所述电极材料包括正极材料和/或负极材料。进一步地，所述正极材料为镍钴锰三元材料、磷酸铁锂、钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂和/或磷酸锰锂中的一种或两种以上。进一步地，所述负极材料为人造石墨、天然石墨、中间相碳微球和/或钛酸锂中的一种或两种以上。本专利技术预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法具有如下有益的技术效果：第一、测试周期短，传统的实验测试方法相比，由于实验方法制成器件需要十天以上的周期，电化学测试也需要一定的时间，本专利技术可以快速评估材料制备成器件后的电化学性能，所需的时间成本低；第二、准确性高，由于锂离子电池是个封闭系统，传统实验测试方法通过测试结果进行反推，预测内部发生的变化，不能实现实时监控，而本专利技术基于电化学反应机理，建立在严格理论框架和大量电池数据积累之上，预测的准确性高。并且可以实时动态反应工作过程中材料和电池内部发生的变化；第三、可靠性好，使用本专利技术的仿真方法，减少了实验过程的环境控制和人为干扰，重现性和可靠性高。。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合实施例及对本专利技术产品作进一步详细的说明。实施例1本专利技术公开了一种预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法，包括以下步骤：步骤1、特征参数的获取：通过测试，获取电极材料的形貌和粒度分布特征，得到材料的一次颗粒和二次颗粒形貌和尺寸信息；步骤2、物理模型的建立：根据材料的一次颗粒和二次颗粒形貌和尺寸信息，分别建立正极和负极的物理模型；步骤3、数学模型的建立：使用菲克扩散方程或抛物线方程描述锂离子在正极和负极一次颗粒中的扩散行为；使用巴特勒-福尔默方程表示一次颗粒表面发生的电化学反应；电解液中载流子的扩散阻力用使用等效电阻表示；并在正极和负极颗粒上应用能量守恒和电荷守恒方程；步骤4、仿真计算、根据步骤2中锂离子电池设计方案中各组分的性质，赋予步骤3数学模型中正极和负极相关热力学、动力学参数；并进行数值仿真计算，预测电池的充放电曲线、倍率充放电性能、内部锂离子浓度分布等。在本实施例中，步骤1所述的测试其测试方法包括SEM表面形貌和/或激光粒度分析。使用激光粒度方法对材料进行测试，获得材料二次颗粒粒度分布信息；采用SEM测试方法对材料测试，得到材料的一次颗粒和二次颗粒形貌和尺寸信息，并根据激光粒度的测试结果，选取二次颗粒尺寸为中位数的颗粒，在SEM图样上随机选取至少50个点测试，取平均值后获得一次颗粒尺寸。在本实施例中，所述电极材料包括正极材料和负极材料。所述正极材料为镍钴锰三元材。所述负极材料为人造石墨。实施例2本专利技术公开了一种预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法，包括以下步骤：步骤1、特征参数的获取：通过测试，获取电极材料的形貌和粒度分布特征，得到材料的一次颗粒和二次颗粒形貌和尺寸信息；步骤2、物理模型的建立：根据材料的一次颗粒和二次颗粒形貌和尺寸信息，分别建立正极和负极的物理模型；步骤3、数学模型的建立：使用菲克扩散方程或抛物线方程描述锂离子在正极和负极一次颗粒中的扩散行为；使用巴特勒-福尔默方程表示一次颗粒表面发生的电化学反应；电解液中载流子的扩散阻力用使用等效电阻表示；并在正极和负极颗粒上应用能量守恒和电荷守恒方程；步骤4、仿真计算、根据步骤2中锂离子电池设计方案中各组分的性质，赋予步骤3数学模型中正极和负极相关热力学、动力学参数；并进行数值仿真计算，预测电池的充放电曲线、倍率充放电性能、内部锂离子浓度分布等。在本实施例中，步骤1所述的测试其测试方法包括SEM表面形貌和激光粒度分析。使用激光粒度方法对材料进行测试，获得材料二次颗粒粒度分布信息；采用SEM测试方法对材料测试，得到材料的一次颗粒和二次颗粒形貌和尺寸信息，并根据激光粒度的测试结果，选取二次颗粒尺寸为中位数的颗粒，在SEM图样上随机选取至少50个点测试，取平均值后获得一次颗粒尺寸。在本实施例中，所述电极材料包括正极材料和负极材料。所述正极材料为磷酸铁锂。所述负极材料为天然石墨。实施例3本专利技术公开了一种预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法，包括以下步骤：步骤1、特征参数的获取：通过测试，获取电极材料的形貌和粒度分布特征，得到材料的一次颗粒和二次颗粒形貌和尺寸信息；步骤2、物理模型的建立：根据材料的一次颗粒和二次颗粒形貌和尺寸信息，分别建立正极和负极的物理模型；步骤3、数学模型的建立：使用菲克扩散方程或抛物线方程描述锂离子在正极和负极一次颗粒中的扩散行为；使用巴特勒-福尔默方程表示一次颗粒表面发生的电化学反应；电解液中载流子的扩散阻力用使用等效电阻表示；并在正极和负极颗粒上应用能量守恒和电荷守恒方程；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、特征参数的获取：通过测试，获取电极材料的形貌和粒度分布特征，得到材料的一次颗粒和二次颗粒形貌和尺寸信息；步骤2、物理模型的建立：根据材料的一次颗粒和二次颗粒形貌和尺寸信息，分别建立正极和负极的物理模型；步骤3、数学模型的建立：使用菲克扩散方程或抛物线方程描述锂离子在正极和负极一次颗粒中的扩散行为；使用巴特勒‑福尔默方程表示一次颗粒表面发生的电化学反应；电解液中载流子的扩散阻力用使用等效电阻表示；并在正极和负极颗粒上应用能量守恒和电荷守恒方程；步骤4、仿真计算、根据步骤2中锂离子电池设计方案中各组分的性质，赋予步骤3数学模型中正极和负极相关热力学、动力学参数；并进行数值仿真计算，预测电池的充放电曲线、倍率充放电性能。

【技术特征摘要】
1.一种预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、特征参数的获取：通过测试，获取电极材料的形貌和粒度分布特征，得到材料的一次颗粒和二次颗粒形貌和尺寸信息；步骤2、物理模型的建立：根据材料的一次颗粒和二次颗粒形貌和尺寸信息，分别建立正极和负极的物理模型；步骤3、数学模型的建立：使用菲克扩散方程或抛物线方程描述锂离子在正极和负极一次颗粒中的扩散行为；使用巴特勒-福尔默方程表示一次颗粒表面发生的电化学反应；电解液中载流子的扩散阻力用使用等效电阻表示；并在正极和负极颗粒上应用能量守恒和电荷守恒方程；步骤4、仿真计算、根据步骤2中锂离子电池设计方案中各组分的性质，赋予步骤3数学模型中正极和负极相关热力学、动力学参数；...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤依伟，吴理觉，梁伟华，张燕辉，
申请(专利权)人：广东佳纳能源科技有限公司，清远佳致新材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44