固态电池热失控行为的评估和检测方法技术

本发明专利技术公开了一种固态电池热失控行为的评估和检测方法，属于锂电池的热预测技术领域；包括构建不同体系的成分相图，生成晶体结构文件；获得晶体结构文件中相关相的能量数据，计算得到每种体系直接反应的反应能以及中间相对固态电解质的反应能；根据直接反应的反应能得到物质热稳定性的大小关系A，根据中间相对固态电解质的反应能得到物质热稳定性的大小关系B，推理出物质热稳定性的大小关系F；对不确定热稳定性大小关系的物质通过ARC进行实验表征，得到雷达图，比较雷达图的面积大小，得出物质热稳定性的大小关系G；将F和G相结合，得到最终的关系K。本发明专利技术的优点是：提供更细致、更准确的热稳定性分析，便于热失控机理的研究。研究。研究。

【技术实现步骤摘要】
固态电池热失控行为的评估和检测方法


[0001]本专利技术属于锂电池的热预测
，尤其涉及一种固态电池热失控行为的评估和检测方法。

技术介绍

[0002]与目前商业化的锂离子电池相比，固态锂电池兼具更高的安全性和更大的能量密度提升空间，可为新能源车的全面普及目标的实现提供助力。
[0003]硫化物固态电解质具备高离子电导率和可变形性，固态电池与目前主流的传统锂离子电池最大的不同在于电解质。固态电池是使用固体电解质，替代了传统锂离子电池的电解液和隔膜。而传统锂离子电池主要由正负极材料、电解液和隔膜组成。正负极材料决定了电池的容量，电解液及隔膜作为传输锂离子的介质。
[0004]但是，作为固态电池核心部件的固态电解质材料仍存在瓶颈。即使采用具有极高热稳定性的硫化物固态电解质与锂负极接触后在200℃下仍然会发生热失控起火(Chem.Mater.2017,29,8611
‑
8619)。由于缺乏深入的研究，目前对于基于无机电解质的全固态锂电池的热失控机理依然很不明晰，影响了高安全性固态锂电池的设计。为此，开展固态锂电池的热失控研究，理解固态电池热失控机理对于设计高热安全性的固态电池具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于满足实际需求，提供一种固态电池热失控行为的评估和检测方法，对于先验性的预测新体系的热安全行为提供了更合理的研究手段。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术的目的是提供一种固态电池热失控行为的评估和检测方法，包括以下步骤：
[0007]S1、构建不同体系的成分相图，生成所述成分相图的相关相的晶体结构文件；所述成分相图的构建过程为：
[0008]根据固态电解质和金属电极的材料，建立N种体系，每种体系包括一种固态电解质材料和一种金属电极材料，每种体系的金属电极材料为同一种金属，查询数据库中的结构数据，构建每种体系对应的成分相图；其中，N为自然数，且N≥2；
[0009]S2、获得所述晶体结构文件中相关相的能量数据，根据所述能量数据计算获得反应产物，再计算得到每种体系直接反应的反应能以及中间相对固态电解质的反应能；
[0010]S3、根据所述直接反应的反应能得到物质热稳定性的大小关系A，根据所述中间相对固态电解质的反应能得到物质热稳定性的大小关系B，推理出A和B都满足的物质热稳定性的大小关系F；
[0011]S4、对不确定热稳定性大小关系的物质通过ARC进行实验表征，得到雷达图，比较雷达图的面积大小，得出物质热稳定性的大小关系G；
[0012]S5、将物质热稳定性的大小关系F和G相结合，得到最终的物质热稳定性的大小关
系K。
[0013]在上述固态电池热失控行为的评估和检测方法的方案中，所述S1和S2包括：使用Pymatgen构建不同体系的成分相图，生成所述成分相图的相关相晶体结构文件，将所述相关相晶体结构文件输入到基于第一性原理预测软件中进行计算，得出每种体系反应物的能量和产物的能量；根据伪二元模型，将每种体系反应物的能量和产物的能量数据输入Pymatgen中计算，得到直接反应的反应能和中间相对固态电解质的反应能。
[0014]在上述固态电池热失控行为的评估和检测方法的方案中，所述固态电解质为硫化物固态电解质，金属电极为金属锂。
[0015]在上述固态电池热失控行为的评估和检测方法的方案中，所述直接反应的反应能低于第一阈值时，物质有自发反应的趋势。
[0016]在上述固态电池热失控行为的评估和检测方法的方案中，在S3中，针对所述物质热稳定性的大小关系，用“a>b”表示a物质的热稳定性高于b物质。
[0017]在上述固态电池热失控行为的评估和检测方法的方案中，判定两种物质间所述热稳定性的大小关系时，当两种物质反应能的差值小于第二阈值时认定两种物质的热稳定性相似，用“a～b”表示a和b的热稳定性相似。
[0018]在上述固态电池热失控行为的评估和检测方法的方案中，所述A中不确定的物质热稳定性的大小关系，如果B中有确定的大小关系，则认定B中的大小关系为正确；所述B中不确定的物质热稳定性的大小关系，如果A中有确定的大小关系，则认定A中的大小关系为正确；所述A和B都不确定物质热稳定性的大小关系时，即认定对应物质为S4中所述不确定热稳定性大小关系的物质。
[0019]在上述固态电池热失控行为的评估和检测方法的方案中，所述雷达图的指标参数包括物质自热反应的起始温度T1、热失控的最终触发温度T2，整个测试过程中检测到的物质的最高温度的倒数1/T3、从自热反应到热失控时间段Δt、反应焓1/ΔH；雷达图面积越大，物质的热稳定性越高。
[0020]在上述固态电池热失控行为的评估和检测方法的方案中，还包括：
[0021]步骤1、利用XRD仪器补充实验，验证反应始末物相；
[0022]步骤2、温度切片非原位表征补充完善界面热行为。
[0023]在上述固态电池热失控行为的评估和检测方法的方案中，步骤2还包括：自分解相关的检测和SEM表征。
[0024]本申请的有益效果是：
[0025]基于上述技术方案，通过第一性原理进行模拟计算，得出固态电解质和金属电极直接反应的反应能以及中间相反应的反应能，根据两个反应能的结果，不需要经过耦合计算，可直接得到必然成立的物质热稳定性的大小关系，且本方法通过引入中间相的热力学计算步骤，一定程度预测了实际反应中的动力学过程，而不需要引入复杂的动力学计算，就能得到更贴合实际热失控情况的理论；将不确定热稳定性的大小关系的物质经过ARC进行具体的实验表征，将每种物质在实验中得到的五个与热稳定性相关的数据制成雷达图，根据雷达图面积大小来判定物质热稳定性的大小关系，将得到的大小关系综合排序，可以得到一个准确的热稳定性的大小关系结果；这个结果结合了模拟计算和实验两个步骤，综合考量了众多因素，此外，增设了补充验证实验来验证结果的正确性，使得方案结果更加可
靠。综上，本技术方案对于先验性的预测新体系的热安全行为提供了更合理的研究手段，可以快捷有效地评估热失控行为发生得难易程度。
附图说明
[0026]下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0027]图1为本专利技术实施例所提供的一种固态电池热失控行为的评估和检测方法的流程图。
[0028]图2为本专利技术实施例所提供四种硫化物在伪二元模型中的摩尔分数及直接反应的反应能的关系示意图，其中的节点表示某电解质在该结点处所对应的摩尔分数的条件下直接和Li金属反应的反应能；L3/Li表示Li3PS4(以下简称L3)和Li金属的反应，L4/Li表示Li4SnS4(以下简称L4)和Li金属的反应，L6/Li表示Li6PS5Cl(以下简称L6)和Li金属的反应，L7/Li表示Li7P3S
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(以下简称L7)和Li金属的反应，反应能为负值表示放热反应。
[0029]图3为四种硫化物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固态电池热失控行为的评估和检测方法，所述固态电池包括固态电解质和金属电极；其特征在于，所述方法包括：S1、构建不同体系的成分相图，生成所述成分相图的相关相的晶体结构文件；所述成分相图的构建过程为：根据固态电解质和金属电极的材料，建立N种体系，每种体系包括一种固态电解质材料和一种金属电极材料，每种体系的金属电极材料为同一种金属，查询数据库中的结构数据，构建每种体系对应的成分相图；其中，N为自然数，且N≥2；S2、获得所述晶体结构文件中相关相的能量数据，根据所述能量数据计算获得反应产物，再计算得到每种体系直接反应的反应能以及中间相对固态电解质的反应能；S3、根据所述直接反应的反应能得到物质热稳定性的大小关系A，根据所述中间相对固态电解质的反应能得到物质热稳定性的大小关系B，推理出A和B都满足的物质热稳定性的大小关系F；S4、对不确定热稳定性大小关系的物质通过ARC进行实验表征，得到雷达图，比较雷达图的面积大小，得出物质热稳定性的大小关系G；S5、将物质热稳定性的大小关系F和G相结合，得到最终的物质热稳定性的大小关系K。2.根据权利要求1所述的固态电池热失控行为的评估和检测方法，其特征在于，所述S1和S2包括：使用Pymatgen构建不同体系的成分相图，生成所述成分相图的相关相晶体结构文件，将所述相关相晶体结构文件输入到基于第一性原理预测软件中进行计算，得出每种体系反应物的能量和产物的能量；根据伪二元模型，将每种体系反应物的能量和产物的能量数据输入Pymatgen中计算，得到直接反应的反应能和中间相对固态电解质的反应能。3.根据权利要求1所述的固态电池热失控行为的评估和检测方法，其特征在于，所述固态电解质为硫化物固态电解质，金属电极为金属锂。4.根据权利要求1所述的固态电池热失控行为的评估和检测方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴凡，吴钰婧，
申请(专利权)人：长三角物理研究中心有限公司中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：