[发明专利]预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法、装置及设备

说明书

本发明实施例提供预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法、装置及设备。所述仿真方法包括：获取电池的电极材料的基本晶体结构参数，构建电极材料的晶体结构模型；对晶体结构模型进行优化，获得总能量最低的最优化晶体结构参数；依据最优化晶体结构参数构建出最优化晶体；对最优化晶体进行能带计算，获取最优化晶体的能带、态密度及动力学参数；对最优化晶体进行声子谱计算，获取最优化晶体的热力学参数；合成具有最优化晶体结构参数的合成电极材料；采用合成电极材料构建电池样品模型，并获取电池的尺寸参数；对电池进行充放电循环测试、电池表面温度分布测试以及温升曲线测试；构建电池的电化学‑热耦合模型；验证电化学‑热耦合模型有效性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池仿真技术领域，尤其涉及一预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法、装置及设备。

背景技术

目前，二次电池的发展主要集中在可充式的锂离子电池上，其优势在于它的高电压平台、低自放电率、高能量密度和广泛的使用范围，因此其在市场商业化方面获得巨大成功，并成为各类电子设备中不可缺少的化学电源。

和所有化学电池一样，锂离子电池是由正极、负极和电解质构成，电池充放电的过程中锂离子在电极材料中不断地嵌入和脱嵌。为了改善锂离子电池的性能，电极材料的改性也成为人们研究的重点，而电极材料的第一性原理计算可以从原子层级对材料的晶体结构、电化学性能以及热力学性能进行深入的剖析，为宏观的电池电压和电池充放电行为及其过程中的热行为研究提供理论支撑，并且能够有效的降低研究成本、缩短科研周期。

随着能量密度和功率密度的不断提高，锂离子电池长时间工作后存在稳定性差和安全性能差的问题。在高放电速率下的过度温升将会诱发电化学性能的下降甚至引发热失控，导致锂离子电池发生燃烧的风险。为了扩大锂离子电池的应用范围，热稳定性问题必须要得到很好的解决。从电池层级来说，通过构建锂离子电池的电化学-热耦合模型，可以预测材料的热电化学性能，明晰产热机理，大大地减少实验的工作量，加速材料的研究和开发，从而为实际的生产提供理论上的支持和工艺上的优化。

对比文件1（CN201610453538.7）公开了一种锂离子电池阴极材料的设计和改性方法，其重点在于对于电池改性的第一性原理模型，并未涉及锂离子电池的电化学-热耦合模型，对产热的机理也并未提及。对比文件2（CN201710208705.6）公开一种基于电化学反应机理仿真的锂离子电池寿命预测方法及对比文件3（CN201710208092.6）公开了一种基于电化学-热耦合模型的预测锂电池循环寿命的方法，所采用的都是电池层级的仿真模拟，并未从微观的原子层级对电极材料进行深入的理论计算，其参数的获取来自于自身测试结果和现有技术。

综述所述，现有技术中的预测锂离子电池材料电化学性能方面并没有建立起原子层级的计算，因而不能准确地获取锂离子电池结构、电化学及热力学参数以及材料改性后所造成的影响，从而难以揭示电池层级的热电化学性能以及产热机理。

发明内容

基于前述现有技术中存在的不足，本发明实施例提供了预测锂离子电池材料化学性能的仿真方法、装置及设备，用以解决现有技术中不能准确地获取锂离子电池结构、电化学及热力学参数以及材料改性后所造成影响的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种预测锂离子电池材料电化学性能的仿真方法，其中，所述方法包括：

获取所述锂离子电池的电极材料的基本晶体结构参数，构建所述电极材料的晶体结构模型；

对所述晶体结构模型进行优化，获得总能量最低的最优化晶体结构参数；

依据所述最优化晶体结构参数构建出最优化晶体；

对所述最优化晶体进行能带计算，获取所述最优化晶体的能带、态密度及动力学参数；

对所述最优化晶体进行声子谱计算，获取所述最优化晶体的热力学参数；