一种对层状氧化物正极材料进行掺杂改性的效果评价方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种对层状氧化物正极材料进行掺杂改性的效果评价方法和系统，属于电池材料技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种对层状氧化物正极材料进行掺杂改性的效果评价方法和系统


[0001]本专利技术涉及一种对层状氧化物正极材料进行掺杂改性的效果评价方法和系统，属于电池材料

。

技术介绍

[0002]先进电池技术是未来十年世界各国前沿技术竞争的热点，锂
/
钠离子电池由于具有高电压
、
高比容
、
充放电寿命长
、
工作温度范围宽等优点，已成为许多移动电子产品
、
电动汽车以及风电和光伏电储能的首选
。
因此，快速开发出能量密度高
、
安全性好
、
充放电速度快的高性能电池材料是十分必要的
。
[0003]正极材料作为锂
/
钠离子电池的重要组成部分，对锂
/
钠离子电池的性能有着重大影响
。
其中，层状氧化物
(Y
x
MO2，
Y
为
Li
和
/
或
Na
，
M
＝
Ni、Fe、Mn、Mg、Zn、B、Cr、Ti、Mo、V、Al、W、Ca
等
)
因具有合成简单
、
组成多样
、
理论比容量高和电化学性能可靠的优点而得到了广泛的关注
。
但基于实验试错法对掺杂元素进行筛选的方法存在成本昂贵
、
周期较长的缺点，导致研发成本高r/>、
研发效率低
。
[0004]随着理论研究的完善以及计算机性能的提升，以计算为核心的材料筛选技术已可应用于材料研发领域，为实验提供可靠的理论指导，极大地缩短研发周期，降低研发成本
。
其中，通过第一性原理计算确定已知材料的结构和基础性质，实现原子级别的精准控制，是现阶段解决实验理论问题和预测新材料结构性能的有力工具，可为材料的制备和改性提供有效的理论指导
。
例如，中国专利文献
CN106096279A
公开了一种稀土掺杂改性钛基二氧化锡电极性能的预测方法，该方法基于第一性原理的密度泛函理论，通过计算稀土掺杂前后二氧化锡晶体结构参数的变化，预测改性性能
。
中国专利文献
CN110046445A
公开了一种预测高压下
Sr、Ba、La、Er
掺杂
c
‑
ZrO2的光电特性方法，首先使用
ZrO2实验样品经过粉碎成1～
10000nm
的粉末后，使用
x
射线粉末衍射得到衍射谱线，对衍射谱线进行精修
、
分析得到晶胞的原始数据，建立粗糙模型，再通过第一性原理计算构建稳定的晶体模型，并对其能带结构
、
分波态密度
、
光学特性在不同压力下进行计算，可以从得到的数据或谱线中预测材料在高压下的结构稳定性，电子激发和跃迁特性，显色和受激发光等特性
。
中国专利文献
CN107273559A
公开了一种用于电池装置的电极材料的设计和改性方法，所述方法包括组合了原子级模型和电池级模型的混合模型，并且包括下列步骤：
1)
针对电极材料的关于其成分和晶格结构的基本结构，基于第一原理密度泛函理论
(DFT)
或分子动力学，构建原子级模型；
2)
计算选自由以下参数构成的群组的一系列参数：至少一个晶格常数
、
锂层厚度
、
系统形成能差
、
晶格中的锂离子迁移能
、
锂离子扩散路径
、
晶格中的锂离子扩散率
、
锂离子电导率和比热容；
3)
将通过原子级模型计算的参数与包括结构稳定性
、
电压
、
容量
、
倍率性能和
/
或循环性能的电池性能关联；
4)
针对潜在的电池应用，基于在步骤
2)
和步骤
3)
中获得的原子级模型的结果，选择具有一定成分和结构的电极材料；
5)
针对选择的电极材料的电池单元，基于具有物理实体的类2维
(P2D)
模型或等效电路模型，建立电池级模型；
6)
通过模拟和
比较通过电池级模型计算的单元充电和放电行为而对电极材料物理参数的重要性排定优先级；
7)
根据电池应用需求，在电池级模型中对重要的电极材料物理参数进行优化；
8)
基于在步骤
6)
中选择的电极材料物理参数，在原子级模型中进行成分改性和结构修饰；
9)
针对电极材料物理参数和电池性能，在原子级模型中优化所述改性；以及，
10)
获得最优的电极材料设计，以用于合成在步骤
7)
和步骤
9)
中优化的电极材料
。
该方法对于电池电极材料及其具有小的成分或结构变化的衍生物，同时考虑其原子结构和电池的物理结构，可以改善针对具体应用需求的电池材料设计和改性的耗时和准确性
。
但是该方法在构建电极材料的原子级模型时，未考虑原子级模型与真实材料的交叉验证，导致计算模型无法表征实际掺杂的效果
。
[0005]因此，亟需开发一种对层状氧化物正极材料进行掺杂改性的效果评价方法
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种对层状氧化物正极材料进行掺杂改性的效果评价方法，可解决目前对层状氧化物正极材料进行掺杂改性评价时存在成本高
、
效率低的问题
。
[0007]本专利技术的另一个目的在于提供一种对层状氧化物正极材料进行掺杂改性的效果评价系统，可以解决目前采用实验试错法评价掺杂元素时存在效率低的问题
。
[0008]为了实现以上目的，本专利技术的对层状氧化物正极材料进行掺杂改性的效果评价方法所采用的技术方案为：
[0009]一种对层状氧化物正极材料进行掺杂改性的效果评价方法，包括以下步骤：
[0010](1)
建立目标层状氧化物正极材料的超晶胞模型，然后进行结构优化，将优化后的超晶胞模型定义为稳定晶胞模型；所述目标层状氧化物正极材料为
Y
x
MO2，其中，
Y
为
Li
和
/
或
Na
，
M
选自
Ni、Fe、Mn
中的一种或任意组合；
[0011](2)
根据所述稳定晶胞模型，通过比较表面能，确定所述稳定晶胞模型的最稳定的晶面，然后建立所述最稳定的晶面的表面模型，再进行结构优化，将优化后的表面模型定义为稳定表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种对层状氧化物正极材料进行掺杂改性的效果评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
建立目标层状氧化物正极材料的超晶胞模型，然后进行结构优化，将优化后的超晶胞模型定义为稳定晶胞模型；所述目标层状氧化物正极材料为
Y
x
MO2，其中，
Y
为
Li
和
/
或
Na
，
M
选自
Ni、Fe、Mn
中的一种或任意组合；
(2)
根据所述稳定晶胞模型，通过比较表面能，确定所述稳定晶胞模型的最稳定的晶面，然后建立所述最稳定的晶面的表面模型，再进行结构优化，将优化后的表面模型定义为稳定表面模型；
(3)
将目标掺杂元素吸附在所述稳定表面模型中的最佳吸附位点，并将掺杂元素分别依次取代所述稳定表面模型中的各金属元素，得到掺杂元素在不同位置处掺杂时对应的初始掺杂晶胞模型；然后对各初始掺杂晶胞模型进行结构优化，得到各初始掺杂晶胞模型的稳定结构，将初始掺杂晶胞模型的稳定结构定义为初始稳定掺杂晶胞模型；
(4)
计算将目标掺杂元素吸附在所述稳定表面模型中的最佳吸附位点的形成能以及将掺杂元素取代所述稳定表面模型中的各金属元素的形成能，然后确定目标掺杂元素的热力学稳定位点；
(5)
建立目标层状氧化物正极材料在不同脱
Y
量时的结构模型，并调控阳离子氧化还原电对以进行电荷补偿，得到各结构模型的稳定结构，将各结构模型的稳定结构定义为目标层状氧化物正极材料在不同脱
Y
量时的稳定结构模型；然后将目标掺杂元素掺杂至目标层状氧化物正极材料在不同脱
Y
量时的稳定结构模型的热力学稳定位点，得到目标掺杂物在不同脱...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨华春，李云峰，王璐，李妞，齐振君，周梦焰，马玉，
申请(专利权)人：河南省氟基新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：