锂离子电池正极材料导电性能仿真生成方法技术

本发明专利技术提供一种锂离子电池正极材料导电性能仿真生成方法，其包括：S1、确定正极材料模型的参数；S2、计算正极材料模型中活性材料微粒和导电剂微粒的数目；S3、随机生成活性材料微粒和导电剂微粒的空间位置；S4、将微粒压缩至规定空间以构建正极材料模型；S5、利用有限元分析模拟计算给定电压下正极材料模型的电流密度分布；S6、利用模型串联规律计算平均电流密度并计算导电率；S7、重复上述过程并计算电导率平均值。本发明专利技术能够对于导电剂掺杂下锂离子电池正极材料的导电性能进行模拟仿真，为锂离子电池正极材料制备配方的优化提供了方法支撑。

A Method of Simulating the Conductivity of Cathode Material for Lithium Ion Batteries

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池正极材料导电性能仿真生成方法
本专利技术涉及锂离子电池性能仿真分析
，特别涉及一种锂离子电池正极材料导电性能仿真生成方法。
技术介绍
锂离子电池正极材料是锂离子电池的重要组成部分，正极材料的导电性能优劣直接影响了电池的续航能力以及输出功率。正极材料的主要组成成分为活性材料、导电剂和粘合剂。目前最广泛采用于电动汽车或高负载水平的大电池中是以LiFePO4为主的活性材料，而且LiFePO4在自然界是以磷铁锂矿形式存在的，其结构稳定、资源丰富、安全性能好。但是LiFePO4等活性材料的特征导致了其具有很低的电子导电率和锂离子扩散率，因而在制备过程中需要加入适量的导电剂诸如炭黑以改善其导电性能。而不同的导电剂掺杂比例直接决定了正极材料导电性能的好坏。因此，需要构建合适的模型用以定量确定不同掺杂比例下正极材料的导电性能。目前对于掺杂导电剂后正极材料导电性能的研究主要在理论和实验两个方面。理论研究模型十分稀少，大部分理论模型都包含着许多特定的限制条件并不适合指导材料的制备；实验方面主要通过掺杂不同质量分数的导电剂进行大量反复的实验，周期较长且成本高昂。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种锂离子电池正极材料导电性能仿真生成方法，其基于导电剂之间的通道效应原理，假设导电剂随机均匀分布于活性材料中间，通过随机生成空间位置的方法，利用模型的串联关系以及有限元分析相结合的方法仿真计算不同掺杂比例下的正极材料电导率。具体地，本专利技术提供了一种锂离子电池正极材料导电性能仿真生成方法，其具体步骤如下所示：S1：设置导电剂掺杂比例w导、粘合剂掺杂比例w粘、活性材料尺寸、导电剂尺寸以及材料孔隙率p参数，并给定仿真空间的大小；S2：利用活性材料和导电剂的密度，并根据步骤S1所设置的导电剂掺杂比例、材料的孔隙率，计算在给定仿真空间下，活性材料微粒和导电剂微粒的个数；S3：随机生成在N倍于给定仿真空间体积下的活性材料微粒和导电剂微粒位置分布；S4：将随机分布的活性材料微粒和导电剂微粒所处的空间压缩至给定仿真空间大小，从而构建了电学仿真所需的正极材料仿真输入模型；S5：将所构建的正极材料仿真输入模型导入电学分析模块中，并设置活性材料以及导电剂的导电率，仿真计算在给定电压下所构建的正极材料在通道效应下的电流密度分布；S6：根据步骤S5中获得的正极材料的电流密度分布，获取S5中所施加的给定电压的平面的节点电流密度，计算给定电压平面的节点电流密度的平均值，并利用正极材料仿真输入模型的串联规律关系，得到正极材料的平均电流密度jall，进而利用电导率计算表达式获得正极材料电导率σ：其中，I为流经正极材料的电流，U为正极材料两端所加电压，L为正极材料的长度，S为正极材料的横截面积；以及S7：重复上述仿真过程获取多次电导率σ，并选取平均值作为该正极材料的导电率。优选地，所述正极材料为掺杂导电剂的锂离子电池正极材料，正极材料的组成成分包括活性材料、导电剂和粘合剂。优选地，步骤S1中所述参数以及仿真空间的大小具体包括：S11、导电剂掺杂比例为所掺杂的导电剂质量占正极材料总质量的百分比；粘合剂掺杂比例为所掺杂的粘合剂质量占正极材料总质量的百分比，在本专利技术中，导电剂掺杂比例wCB设置在5％-15％之间，粘合剂掺杂比例w粘为10.43％；S12、活性材料和导电剂微粒的几何形状均为球形，活性材料微粒直径dAM设置在50nm到200nm之间，导电剂微粒直径dCB设置为40nm，粘合剂不放入仿真模型的几何建模以及后续的导电率仿真计算中；S13、孔隙率p为所有材料的体积和占整个仿真空间体积的百分比，所述孔隙率p设置为50％；S14、仿真空间指在步骤S5中对正极材料模型进行电导率仿真计算所需的空间。在本专利技术中仿真空间的几何形状设置为正方体，正方体的边长dspace设置为活性材料直径的三倍。优选地，步骤S2中所述活性材料微粒和导电剂微粒个数的计算方法为：S21、利用S14中设置的仿真空间以及S13中设置的孔隙率计算出正极材料所占空间体积Vall，计算表达式如下：Vall＝p·dspace3＝27p·dAM3；S22、结合活性材料的密度ρAM，导电剂的密度ρCB以及粘合剂的密度ρ粘，利用S11中给出的导电剂掺杂比例wCB和粘合剂掺杂比例w粘，计算出活性材料所占的空间体积VAM、导电剂所占的空间体积VCB和粘合剂所占的空间体积V粘之比。表达式如下：利用S21中计算得到的正极材料所占空间体积Vall，即可得到活性材料所占空间体积VAM、导电剂所占的空间体积VCB和粘合剂所占的空间体积V粘；本专利技术中活性材料密度设置为3.58g·cm-3，导电剂密度设置为1.94g·cm-3，粘合剂密度设置为1.856g·cm-3；S23、利用S12中设置的活性材料微粒直径和导电剂微粒直径，计算单个活性材料微粒的体积和单个导电剂微粒的体积，并利用S22中活性材料所占空间体积和导电剂所占空间体积，用活性材料所占空间的总体积除以单个活性材料微粒的体积，取整后便得到活性材料微粒的个数NAM；用导电剂所占空间的总体积除以单个导电剂微粒的体积，取整后便得到活性材料微粒的个数NCB。优选地，步骤S3中所述的随机生成位置分布的方法为：S31、在所定义的仿真空间的基础上，沿某一方向拉伸N倍，构建一个新的空间；S32、结合S23中得到的活性材料微粒和导电剂微粒个数，首先随机生成所有活性材料微粒的空间位置，再随机生成所有导电剂微粒的空间位置；S33、随机生成空间位置的要求如下：活性材料微粒和导电剂微粒的空间位置均需要在空间内，不得有任意一部分超出空间；活性材料微粒和导电剂微粒两两之间不存在重叠的部分，且均匀分布在空间中；S34、微粒空间位置的生成方法如下：首先随机生成三个0到1之间的随机数，分别乘以S31中所构建的空间上三条边的即长、宽、高，即可得到微粒的空间位置。并根据S33中所规定的要求，判断生成的微粒空间位置是否符合要求。如果条件不符合，则移除该空间位置点并重新随机生成随机数生成空间位置；如果条件符合，则再按照S34的步骤生成下一个微粒，直到S23中得到的活性材料微粒个数NAM和导电剂微粒个数NCB全部生成完毕。优选地，步骤S4中所述的压缩过程的具体条件为：S41、压缩过程是将仿真空间中扩大为N倍的方向缩小至N分之一，压缩完毕后活性材料微粒和导电剂微粒均匀随机分布在S1中规定的仿真空间中；S42、在压缩过程中及压缩过程结束后，需要保证活性材料微粒和导电剂微粒间均不存在重叠的部分；S43、压缩过程结束后只改变了微粒的空间位置，并没有改变微粒的几何形状以及几何尺寸；S44、压缩完毕后所获得的模型即为正极材料仿真输入模型。优选地，步骤S5中对于所构建的正极材料的导电率仿真计算步骤为：S51、将步骤S4中正极材料输入模型导入ABAQUS/STANDARD的电学仿真中，并在几何形状呈正方体的仿真空间一组对应表面添加两个平板。正极材料输入模型和所添加的两个平板组成为正极材料模型；S52、设置导电剂的电导率为3×104S·m-1，活性材料的电导率为1×10-8S·m-1；S53、由于导电剂微粒之间存在通道效应，即存在电导，因此，可以通过单位面积下的电导表达式进行计算：其中，σg为两个导电剂微粒之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池正极材料导电性能仿真生成方法，其特征在于：其包括以下步骤：S1：设置导电剂掺杂比例w导、粘合剂掺杂比例w粘、活性材料尺寸、导电剂尺寸以及材料孔隙率p参数，并给定仿真空间的大小；S2：利用活性材料和导电剂的密度，并根据步骤S1所设置的导电剂掺杂比例、材料的孔隙率，计算在给定仿真空间下，活性材料微粒和导电剂微粒的个数；S3：随机生成在N倍于给定仿真空间体积下的活性材料微粒和导电剂微粒位置分布；S4：将随机分布的活性材料微粒和导电剂微粒所处的空间压缩至给定仿真空间大小，从而构建了电学仿真所需的正极材料仿真输入模型；S5：将所构建的正极材料仿真输入模型导入电学分析模块中，并设置活性材料以及导电剂的导电率，仿真计算在给定电压下所构建的正极材料在通道效应下的电流密度分布；S6：根据步骤S5中获得的正极材料的电流密度分布，获取S5中所施加的给定电压的平面的节点电流密度，计算给定电压平面的节点电流密度的平均值，并利用正极材料仿真输入模型的串联规律关系，得到正极材料的平均电流密度jall，进而利用电导率计算表达式获得正极材料电导率σ：

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池正极材料导电性能仿真生成方法，其特征在于：其包括以下步骤：S1：设置导电剂掺杂比例w导、粘合剂掺杂比例w粘、活性材料尺寸、导电剂尺寸以及材料孔隙率p参数，并给定仿真空间的大小；S2：利用活性材料和导电剂的密度，并根据步骤S1所设置的导电剂掺杂比例、材料的孔隙率，计算在给定仿真空间下，活性材料微粒和导电剂微粒的个数；S3：随机生成在N倍于给定仿真空间体积下的活性材料微粒和导电剂微粒位置分布；S4：将随机分布的活性材料微粒和导电剂微粒所处的空间压缩至给定仿真空间大小，从而构建了电学仿真所需的正极材料仿真输入模型；S5：将所构建的正极材料仿真输入模型导入电学分析模块中，并设置活性材料以及导电剂的导电率，仿真计算在给定电压下所构建的正极材料在通道效应下的电流密度分布；S6：根据步骤S5中获得的正极材料的电流密度分布，获取S5中所施加的给定电压的平面的节点电流密度，计算给定电压平面的节点电流密度的平均值，并利用正极材料仿真输入模型的串联规律关系，得到正极材料的平均电流密度jall，进而利用电导率计算表达式获得正极材料电导率σ：其中，I为流经正极材料的电流，U为正极材料两端所加电压，L为正极材料的长度，S为正极材料的横截面积；S7：重复上述仿真过程获取多次电导率σ，并选取平均值作为该正极材料的导电率。2.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料导电性能仿真生成方法，其特征在于：所述正极材料为掺杂导电剂的锂离子电池正极材料，正极材料的组成成分包括活性材料、导电剂和粘合剂。3.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料导电性能仿真生成方法，其特征在于：步骤S1中所述参数以及仿真空间的大小具体包括：S11、导电剂掺杂比例为所掺杂的导电剂质量占正极材料总质量的百分比；粘合剂掺杂比例为所掺杂的粘合剂质量占正极材料总质量的百分比，导电剂掺杂比例wCB设置在5％-15％之间，粘合剂掺杂比例w粘为10.43％；S12、活性材料和导电剂微粒的几何形状均为球形，活性材料微粒直径dAM设置在50nm到200nm之间，导电剂微粒直径dCB设置为40nm；S13、孔隙率p为所有材料的体积和占整个仿真空间体积的百分比，所述孔隙率p设置为50％；S14、仿真空间的几何形状设置为正方体，正方体的边长dspace设置为活性材料直径的三倍。4.根据权利要求3所述的锂离子电池正极材料导电性能仿真生成方法，其特征在于：步骤S2中所述活性材料微粒和导电剂微粒个数的确定方法包括：S21、利用S14中设置的仿真空间以及S13中设置的孔隙率计算出正极材料所占空间体积Vall，表达式如下：Vall＝p·dspace3＝27p·dAM3；S22、结合活性材料的密度ρAM，导电剂的密度ρCB以及粘合剂的密度ρ粘，利用S11中给出的导电剂掺杂比例wCB和粘合剂掺杂比例w粘，计算出活性材料所占的空间体积VAM、导电剂所占的空间体积VCB和粘合剂所占的空间体积V粘之比，其中活性材料密度设置为3.58g·cm-3，导电剂密度设置为1.94g·cm-3，粘合剂密度设置为1.856g·cm-3，表达式如下：利用S21中计算得到的正极材料所占空间体积Vall，得到活性材料所占空间体积VAM、导电剂所占的空间体积VCB和粘合剂所占的空间体积V粘；S23、利用S12中设置的活性材料微粒直径和导电剂微粒直径，计算单个活性材料微粒的体积和单个导电剂微粒的体积，并利用S22中活性材料所占空间体积和导电剂所占空间体积，用活性材料所占空间的总体积除以单个活性材料微粒的体积，取整后便得到活性材料微粒的个数NAM；用导电剂所占空间的总体积除以单个导电剂微粒的体积，取整后便得到活性材料微粒的个数NCB。5.根据权利要求4所述的锂离子电池正极材料导电性能仿真生成方法，其特征在于：步...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈云霞，朱家晓，金毅，李大庆，康锐，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11