用于确定阴极材料的退化相关开路电池电压的系统和方法技术方案

一种自动系统和方法，用于经由原子性模拟，并且尤其是通过模拟在充电循环期间发生的原子性缺陷在阴极材料中的产生，来研究电池中的阴极材料的退化。一种系统化的过程将电池性能度量的退化与由于材料内原子重排而引起的潜在结构变化相关联，例如，通过密度泛函理论模拟。用这种方法建模的性能度量包括开路电池电压(OCV)以及放电容量曲线。电压(OCV)以及放电容量曲线。电压(OCV)以及放电容量曲线。

【技术实现步骤摘要】
用于确定阴极材料的退化相关开路电池电压的系统和方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2020年3月10日提交的美国临时申请No.62/987,583的权益。上述申请的全部教导通过引用合并于此。

技术介绍

[0003]希望研究和优化电池的潜在阴极材料的性能的人通常对电池的物理发生的现象进行实验观察。在计算文献中存在建模工作，但是它通常解决在电池由于充电和放电而已经退化之前在原始状态下的电池的建模。电池的常规建模包括研究特定材料的成分(1)，理想化的可逆充电周期中的电压曲线(2)以及理想化的化学计量材料中在循环之前的缺陷形成(3、4)。
[0004]然而，不断需要预测在电池的操作期间(例如，在锂离子电池的重复锂化和脱锂期间)人们可能期望在电池材料中观察到的退化的程度。

技术实现思路

[0005]根据本专利技术的实施例提供一种自动系统和方法，用于经由原子性模拟，并且尤其是通过模拟在充电循环期间发生的原子性缺陷在阴极材料中的产生，来研究电池中的阴极材料的退化。一种系统化的过程将电池性能度量的退化与由于材料内原子重排而引起的潜在结构变化相关联，例如，通过密度泛函理论模拟。用这种方法建模的性能度量包括开路电池电压(OCV)以及放电容量曲线。
[0006]根据本专利技术的一个实施例是一种确定电池的阴极材料的退化相关开路电池电压的计算机实现的方法。该计算机实现的方法包括：以由处理器自动进行的方式确定在电池的操作期间阴极材料的退化相关模型。该退化相关模型由处理器以第一数据结构存储，并且第一数据结构包括：(i)在电池的操作期间在阴极材料的多个化学计量或容量中的每一个处阴极材料的可能原子配置，该可能原子配置包括具有由在电池的操作期间在阴极材料内的原子重排而产生的退化缺陷的配置，以及(ii)可能原子配置的总能量。确定在多个化学计量或容量中的每一个处阴极材料的最低总能量原子配置以及相关联的最低总能量并将其以第二数据结构存储。确定最低总能量原子配置由处理器以自动方式基于在操作期间阴极材料的以第一数据结构存储的退化相关模型来执行。确定在每个化学计量或容量处阴极材料的开路电池电压并将其以第三数据结构存储。确定开路电池电压由处理器以自动方式基于以第二数据结构存储的在每个化学计量或容量处的最低总能量来执行。
[0007]在另外的相关实施例中，具有退化缺陷的配置可以包括在阴极材料内具有电荷携带位点的部分或完全阻塞的配置，原子重排包括在电池的操作期间电荷携带位点的部分或完全阻塞。具有电荷携带位点的部分或完全阻塞的配置可以包括其中通过过渡金属原子与碱离子交换位置形成反位点的配置。该配置可以包括过渡金属原子的框架，在充电期间碱金属离子从该框架中被移除，并且除非被退化缺陷阻塞，否则在放电期间碱金属离子能够被替换到该框架中。确定在每个化学计量或容量处阴极材料的开路电池电压并将其以第三
数据结构存储可以包括：使用处理器以自动方式根据电荷载体浓度确定阴极材料中的电荷载体与基准电荷载体电极的化学势中的差异。阴极材料可以包括过渡金属和碱离子，并且化学计量可以包括碱离子的浓度。
[0008]在其它相关实施例中，确定退化相关模型可以包括：使用处理器以自动方式使用概率模型确定可能原子配置，并且将可能原子配置以第一数据结构存储。确定退化相关模型可以包括：使用处理器以自动方式使用蒙特卡洛方法、遗传算法和枚举搜索中的至少一项来确定可能原子配置；并且将可能原子配置以第一数据结构存储。确定退化相关模型可以包括：使用处理器以自动方式使用阴极材料的原子的量子力学模型对原子配置进行建模。该量子力学模型可以包括使用处理器以自动方式实现的基于密度泛函理论的模型。
[0009]在另一相关实施例中，该方法还可以包括：使用处理器以自动方式确定在每个化学计量或容量处第一阴极材料的开路电池电压并将其以第三数据结构存储；使用处理器以自动方式确定在每个化学计量或容量处第二阴极材料的开路电池电压并将其以第四数据结构存储；使用处理器以自动方式将来自第三数据结构的、第一阴极材料的开路电池电压与来自第四数据结构的、第二阴极材料的开路电池电压进行比较，并且将比较的结果以第五数据结构存储；以及使用处理器以自动方式报告第一阴极材料的开路电池电压与第二阴极材料的开路电池电压的比较的结果。
[0010]根据本专利技术的另一实施例是一种用于确定电池的阴极材料的退化相关开路电池电压的计算机系统。该计算机系统包括：退化相关建模模块，其被配置为以由处理器自动进行的方式确定在电池的操作期间阴极材料的退化相关模型，并且使用处理器将退化相关模型以第一数据结构存储在存储器中。第一数据结构包括：(i)在电池的操作期间在阴极材料的多个化学计量或容量中的每一个处阴极材料的可能原子配置，该可能原子配置包括具有由在电池的操作期间在阴极材料内的原子重排而产生的退化缺陷的配置，以及(ii)可能原子配置的总能量。稳定配置模块被配置为确定在多个化学计量或容量中的每一个处阴极材料的最低总能量原子配置以及相关联的最低总能量并将其以第二数据结构存储在存储器中。该稳定配置模块被配置为使用处理器以自动方式基于在操作期间阴极材料的以第一数据结构存储的退化相关模型确定最低总能量原子配置和相关联的最低总能量。开路电池电压确定模块被配置为确定在每个化学计量或容量处阴极材料的开路电池电压并将其以第三数据结构存储在存储器中。该开路电池电压确定模块被配置为使用处理器以自动方式基于以第二数据结构存储的在每个化学计量或容量处的最低总能量确定开路电池电压。
[0011]在另外的相关计算机系统实施例中，具有退化缺陷的配置可以包括在阴极材料内具有电荷携带位点的部分或完全阻塞的配置，原子重排包括在电池的操作期间电荷携带位点的部分或完全阻塞。具有电荷携带位点的部分或完全阻塞的配置可以包括其中通过过渡金属原子与碱离子交换位置形成反位点的配置。该配置可以包括过渡金属原子的框架，在充电期间碱金属离子从该框架中被移除，并且除非被退化缺陷阻塞，否则在放电期间碱金属离子能够被替换到该框架中。开路电池电压确定模块可以被配置为：通过使用处理器以自动方式根据电荷载体浓度确定阴极材料中的电荷载体与基准电荷载体电极的化学势中的差异，确定在每个化学计量或容量处阴极材料的开路电池电压。阴极材料可以包括过渡金属和碱离子，并且化学计量可以包括碱离子的浓度。
[0012]在其它相关计算机系统实施例中，退化相关建模模块可以被配置为：通过使用处
理器以自动方式使用概率模型确定可能原子配置来确定退化相关模型，并且将可能原子配置以第一数据结构存储在存储器中。退化相关建模模块可以被配置为：通过使用处理器以自动方式使用蒙特卡洛方法、遗传算法和枚举搜索中的至少一项确定可能原子配置来确定退化相关模型；并且将可能原子配置以第一数据结构存储在存储器中。退化相关建模模块可以被配置为：通过使用处理器以自动方式使用阴极材料的原子的量子力学模型对原子配置进行建模来确定退化相关模型。量子力学模型可以包括使用处理器以自动方式实现的基于密度泛函理论的模型。
[0013]在另一相关计算机系统实施例中，计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种确定电池的阴极材料的退化相关开路电池电压的计算机实现的方法，所述计算机实现的方法包括：以由处理器自动进行的方式确定在所述电池的操作期间所述阴极材料的退化相关模型，所述退化相关模型由所述处理器以第一数据结构存储，并且所述第一数据结构包括：(i)在所述电池的操作期间在所述阴极材料的多个化学计量或容量中的每一个处所述阴极材料的可能原子配置，所述可能原子配置包括具有由在所述电池的操作期间在所述阴极材料内的原子重排而产生的退化缺陷的配置，以及(ii)所述可能原子配置的总能量；确定在所述多个化学计量或容量中的每一个处所述阴极材料的最低总能量原子配置以及相关联的最低总能量并将其以第二数据结构存储，所述确定由所述处理器以自动方式基于在操作期间所述阴极材料的以所述第一数据结构存储的所述退化相关模型来执行；以及确定在每个化学计量或容量处所述阴极材料的开路电池电压并将其以第三数据结构存储，所述确定由所述处理器以自动方式基于以所述第二数据结构存储的在每个化学计量或容量处的所述最低总能量来执行。2.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中，具有退化缺陷的所述配置包括在所述阴极材料内具有电荷携带位点的部分或完全阻塞的配置，所述原子重排包括在所述电池的操作期间所述电荷携带位点的所述部分或完全阻塞。3.根据权利要求2所述的计算机实现的方法，其中，具有所述电荷携带位点的部分或完全阻塞的所述配置包括其中通过过渡金属原子与碱离子交换位置形成反位点的配置。4.根据权利要求3所述的计算机实现的方法，其中，所述配置包括过渡金属原子的框架，在充电期间碱金属离子从所述框架中被移除，并且除非被所述退化缺陷阻塞，否则在放电期间碱金属离子能够被替换到所述框架中。5.根据前述权利要求中的任一项所述的计算机实现的方法，其中，确定在每个化学计量或容量处所述阴极材料的开路电池电压并将其以所述第三数据结构存储包括：使用所述处理器以自动方式根据电荷载体浓度确定所述阴极材料中的电荷载体与基准电荷载体电极的化学势中的差异。6.根据前述权利要求中的任一项所述的计算机实现的方法，其中，所述阴极材料包括过渡金属和碱离子，并且其中，所述化学计量包括所述碱离子的浓度。7.根据前述权利要求中的任一项所述的计算机实现的方法，其中，确定所述退化相关模型包括：使用所述处理器以自动方式使用概率模型确定所述可能原子配置，并且将所述可能原子配置以所述第一数据结构存储。8.根据前述权利要求中的任一项所述的计算机实现的方法，其中，确定所述退化相关模型包括：使用所述处理器以自动方式使用蒙特卡洛方法、遗传算法和枚举搜索中的至少一项来确定所述可能原子配置；并且将所述可能原子配置以所述第一数据结构存储。9.根据前述权利要求中的任一项所述的计算机实现的方法，其中，确定所述退化相关模型包括：使用所述处理器以自动方式使用所述阴极材料的原子的量子力学模型对所述原子配置进行建模。10.根据权利要求9所述的计算机实现的方法，其中，所述量子力学模型包括使用所述处理器以自动方式实现的基于密度泛函理论的模型。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的计算机实现的方法，还包括：使用所述处理器以自动方式确定在每个化学计量或容量处第一阴极材料的开路电池电压并将其以所述第三数据结构存储；使用所述处理器以自动方式确定在每个化学计量或容量处第二阴极材料的开路电池电压并将其以第四数据结构存储；使用所述处理器以自动方式将来自所述第三数据结构的、所述第一阴极材料的开路电池电压与来自所述第四数据结构的、所述第二阴极材料的开路电池电压进行比较，并且将所述比较的结果以第五数据结构存储；以及使用所述处理器以自动方式报告所述第一阴极材料的开路电池电压与所述第二阴极材料的开路电池电压的所述比较的结果。12.一种用于确定电池的阴极材料的退化相关开路电池电压的计算机系统，所述计算机系统包括：退化相关建模模块，其被配置为以由处理器自动进行的方式确定在所述电池的操作期间所述阴极材料的退化相关模型，并且使用所述处理器将所述退化相关模型以第一数据结构存储在存储器中，所述第一数据结构包括：(i)在所述电池的操作期间在所述阴极材料的多个化学计量或容量中的每一个处所述阴极材料的可能原子配置，所述可能原子配置包括具有由在所述电池的操作期间在所述阴极材料内的原子重排而产生的退化缺陷的配置，以及(ii)所述可能原子配置的总能量；稳定配置模块，其被配置为确定在所述多个化学计量或容量中的每一个处所述阴极材料的最低总能量原子配...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：达索系统美国公司，
类型：发明
国别省市：