一种预测锂离子电池材料及器件安全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及器件安全性能的仿真方法，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、最终预测电池材料和器件的安全性能。本发明专利技术的预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法具有测试成本低、数据准确性高、安全性强和实时性好的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法
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及器件安全性能的仿真方法。
技术介绍
锂离子电池由于具有工作电压高、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，并且逐步在电动汽车领域推广。为了提高续航里程，电动汽车对动力电池提出了高能量密度的需求。伴随着能量密度的增加，电池的安全问题凸显，如何提高和优化材料及器件性能是学术界和产业界关注的热点。传统评价电池材料安全性能的方法是将材料制备成器件，进行针刺、过充、挤压等安全性测试，从而得到电池的安全性能；评价电池器件的方法是直接进行安全性测试。但是，在实际测试过程中存在如下不足：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得到的电池，在评价新型材料的安全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、成本高。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；另外，做过安全性测试的电池，性能已经劣化或者无法正常使用。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安全性测试时，内部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及器件安全性能的仿真方法，具有测试成本低、数据准确性高、安全性强和实时性好的特点。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及器件安全性能的仿真方法，包括以下步骤：步骤1、采用扫描电镜、激光粒度测试方法获取电极材料的形貌和粒度分布特征，建立材料的物理模型；步骤2、根据电极材料特点，设计锂离子电池的结构和配套材料体系，建立电池器件的物理模型；步骤3、在材料的物理模型中应用固相扩散方程描述锂离子在其中的扩散行为，得到材料的第一数理模型，同时在电池器件的物理模型中，在电极、隔膜等各个组分上应用能量守恒、物质守恒、电荷守恒等方程，描述电池工作过程的物理化学反应，得到电池器件的第二数理模型；步骤4、将第一数理模型和第二数理模型通过参数传递的方式进行耦合，得到第三数理模型；步骤5、根据安全测试项目的不同，建立各种测试条件下电池产热的第四数理模型；将第三数理模型和第四数理模型进行耦合计算，预测电池材料和器件的安全性能。进一步地，所述的锂离子电池材料为正极材料和/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。进一步地，所述锂离子电池器件外壳为钢壳、铝壳或铝塑。进一步地，在步骤1中，选取二次颗粒尺寸为中位数的颗粒，在扫描电镜图样上随机选取至少100个点测试，取平均值后获得一次颗粒尺寸；根据实验结果，建立材料的物理模型。进一步地，在步骤5中，所述第四数理模型为过充的产热模型，所述产热模型测量的是电池充电至不同电压时，内部副反应如电解液分解、电极材料结构变化的产热情况。进一步地，在步骤5中，将第三数理模型计算得到的电池正常工作的产热量耦合到第四数理模型中，同时将第四数理模型得到的电池平均温度作为第三数理模型的反应温度。进一步地，步骤4的参数传递方式为：第一模型计算得到的活性材料表面的锂离子浓度作为第二模型中固液界面的锂离子浓度。本专利技术预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法具有如下有益的技术效果：本专利技术提供一种预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法。通过实验方法得到电池材料形貌，进行抽象之后建立物理模型；并根据材料特点设计锂离子电池器件，同时建立物理模型；随后用数学方程描述电池工作过程中，材料和器件内部发生物理化学反应；最后根据具体的安全测试项目，建立相应的模型，与器件和材料模型进行耦合计算，预测电池材料和器件的安全性能。由于采用“虚拟实验”的方式进行仿真运算，可以有效缩短研究的时间和人力成本，实验重现性好；同时，模型基于化学反应机理，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。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及器件安全性能的仿真方法，包括以下步骤：步骤1、采用扫描电镜、激光粒度测试方法获取电极材料的形貌和粒度分布特征，建立材料的物理模型；步骤2、根据电极材料特点，设计锂离子电池的结构和配套材料体系，建立电池器件的物理模型；步骤3、在材料的物理模型中应用固相扩散方程描述锂离子在其中的扩散行为，得到材料的第一数理模型，同时在电池器件的物理模型中，在电极、隔膜等各个组分上应用能量守恒、物质守恒、电荷守恒等方程，描述电池工作过程的物理化学反应，得到电池器件的第二数理模型；步骤4、将第一数理模型和第二数理模型通过参数传递的方式进行耦合，得到第三数理模型；具体的参数传递方式为：第一模型计算得到的活性材料表面的锂离子浓度作为第二模型中固液界面的锂离子浓度。步骤5、根据安全测试项目的不同，建立各种测试条件下电池产热的第四数理模型；将第三数理模型和第四数理模型进行耦合计算，预测电池材料和器件的安全性能。在本实施例中，在步骤1中，选取二次颗粒尺寸为中位数的颗粒，在扫描电镜图样上随机选取至少100个点测试，取平均值后获得一次颗粒尺寸；根据实验结果，建立材料的物理模型。在步骤5中，所述第四数理模型为过充的产热模型，所述产热模型测量的是电池充电至不同电压时，内部副反应如电解液分解、电极材料结构变化的产热情况；将第三数理模型计算得到的电池正常工作的产热量耦合到第四数理模型中，同时将第四数理模型得到的电池平均温度作为第三数理模型的反应温度。在本实施例中，所述的锂离子电池材料为正极材料。所述正极材料为镍钴锰三元材料。所述锂离子电池器件外壳为钢壳。实施例2本专利技术公开了一种预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法，包括以下步骤：步骤1、采用扫描电镜、激光粒度测试方法获取电极材料的形貌和粒度分布特征，建立材料的物理模型；步骤2、根据电极材料特点，设计锂离子电池的结构和配套材料体系，建立电池器件的物理模型；步骤3、在材料的物理模型中应用固相扩散方程描述锂离子在其中的扩散行为，得到材料的第一数理模型，同时在电池器件的物理模型中，在电极、隔膜等各个组分上应用能量守恒、物质守恒、电荷守恒等方程，描述电池工作过程的物理化学反应，得到电池器件的第二数理模型；步骤4、将第一数理模型和第二数理模型通过参数传递的方式进行耦合，得到第三数理模型；具体的参数传递方式为：第一模型计算得到的活性材料表面的锂离子浓度作为第二模型中固液界面的锂离子浓度。步骤5、根据安全测试项目的不同，建立各种测试条件下电池产热的第四数理模型；将第三数理模型和第四数理模型进行耦合计算，预测电池材料和器件的安全性能。在本实施例中，在步骤1中，选取二次颗粒尺寸为中位数的颗粒，在扫描本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、采用扫描电镜、激光粒度测试方法获取电极材料的形貌和粒度分布特征，建立材料的物理模型；步骤2、根据电极材料特点，设计锂离子电池的结构和配套材料体系，建立电池器件的物理模型；步骤3、在材料的物理模型中应用固相扩散方程描述锂离子在其中的扩散行为，得到材料的第一数理模型，同时在电池器件的物理模型中，在电极、隔膜等各个组分上应用能量守恒、物质守恒、电荷守恒等方程，描述电池工作过程的物理化学反应，得到电池器件的第二数理模型；步骤4、将第一数理模型和第二数理模型通过参数传递的方式进行耦合，得到第三数理模型；步骤5、根据安全测试项目的不同，建立各种测试条件下电池产热的第四数理模型；将第三数理模型和第四数理模型进行耦合计算，预测电池材料和器件的安全性能。

【技术特征摘要】
1.一种预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、采用扫描电镜、激光粒度测试方法获取电极材料的形貌和粒度分布特征，建立材料的物理模型；步骤2、根据电极材料特点，设计锂离子电池的结构和配套材料体系，建立电池器件的物理模型；步骤3、在材料的物理模型中应用固相扩散方程描述锂离子在其中的扩散行为，得到材料的第一数理模型，同时在电池器件的物理模型中，在电极、隔膜等各个组分上应用能量守恒、物质守恒、电荷守恒等方程，描述电池工作过程的物理化学反应，得到电池器件的第二数理模型；步骤4、将第一数理模型和第二数理模型通过参数传递的方式进行耦合，得到第三数理模型；步骤5、根据安全测试项目的不同，建立各种测试条件下电池产热的第四数理模型；将第三数理模型和第四数理模型进行耦合计算，预测电池材料和器件的安全性能。2.根据权利要求1所述的预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法，其特征在于：所述的锂离子电池材料为正极材料和/或负极材料。3.根据权利要求2所述的预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法，其特征在于：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。4.根据权利要求2所述的预测锂离子电池材料及器件安全性...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴理觉，郭权文，梁卫春，汤依伟，
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