[发明专利]一种考虑电极材料局部失活的锂电池电极仿真分析方法

说明书

本发明公开了属于二次电池技术领域的一种考虑电极材料局部失活的锂电池电极仿真分析方法。包括步骤：S1、确定电极材料的初始结构；S2、建立电极充电或放电过程的电化学数值模型；S3、建立电极材料局部失活判定函数；S4、构建电极材料的有限元分析模型并对电极充电或放电过程进行计算求解；S5、用于获取考虑电极材料存在局部失活情况时的电极活性物质分布以及剩余有效循环容量，以预测锂电池电极的工作状态；实现了对电极材料局部失活的产生原因、其对电化学性能的影响机制及调控方式进行定量准确的探究分析，本发明高效低成本地预测电极工作状态并指导锂电池电极的设计与优化。

技术领域

本发明属于二次电池技术领域，特别涉及一种考虑电极材料局部失活的锂电池电极仿真分析方法。

背景技术

伴随着清洁能源、智慧电网、电动汽车、无人机等领域的高速发展，以锂离子电池为代表的二次电池已成为当前最重要的储能体系之一。然而日益增长的储能需求，也对二次电池的能量密度、循环寿命、倍率性能、安全性等有了更高的要求。新一代的锂离子电池，以及以金属锂作为负极材料的锂金属电池(锂硫电池等)，已成为二次电池领域的研究重点。

然而，新一代的锂离子电池和锂金属电池都面临着不可逆容量损耗、循环寿命低的难题，尤其在较为严苛的充放电倍率条件下容量跳水的问题尤为突出。电池中电极材料的局部失活，是产生这一不可逆容量损耗的主要原因之一。例如，石墨、硅碳等负极材料存在的结构解离、膨胀剥离；锂金属负极存在的脱锂过程“死锂”形成、锂粉化过程；氧化物正极存在的过充电导致正极结构坍塌、产气导致孔隙阻塞；硫正极存在的“死硫”问题等，都是使得电极材料出现了局部失活，进而导致电池循环容量不可逆衰减。

为了实现高循环寿命锂离子电池和锂金属电池的科学合理设计与优化，需要对电极材料局部失活的产生原因、影响机制及调控方式有更准确高效的研究分析方法。但是，由于电极材料的微观结构和电化学反应过程的复杂性，以及针对形貌演变的原位表征技术手段的局限性，很难通过实验直接分析电极材料局部失活对电池充放电性能的影响机制，难以提出有效的锂电池电极设计优化方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑电极材料局部失活的锂电池电极仿真分析方法，其特征在于，所述锂电池电极仿真分析包括以下步骤：

S1：确定电极材料的初始结构；

S2：建立电极充电或放电过程的电化学数值模型；

S3：建立电极材料局部失活判定函数；

S4：构建电极材料的有限元分析模型并对电极充电或放电过程进行计算求解；

S5：得到电极活性物质分布和剩余有效循环容量，预测电极工作状态，指导电极的设计与优化。

所述步骤S1中的电极材料包括锂金属、锂铟合金、锂锡合金、锂铜合金、锂镁合金、锂铝合金、锂钠合金、锂钾合金、锂碳合金、锂硅合金、硅碳合金、无定型碳、石墨、软碳、硬碳、碳纤维、钛酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料、氧化锂、过氧化锂、硫、硫化锂中的至少一者；

所述电极材料的初始结构包括厚度、表面粗糙度、颗粒形貌、平均粒径、粒径分布、平均孔径、孔径分布、平均表面曲率、表面曲率分布、孔隙率、比表面积中的至少一项。

所述步骤S2中电化学数值模型包括电极材料与电解质界面的电化学反应方程、锂离子在电极材料和电解质中的传质方程、锂离子在电极材料和电解质中的迁移矢量方程、电极材料和集流体中的固相电势分布方程、电极材料和电解质中的液相电势分布方程、热量在电极材料和电解质中的传热方程、电极材料与电解质界面的界面迁移矢量方程、电极材料与电解质界面的水平集方程、电极材料与电解质两相的相场方程、电解质的流体传质方程中的至少建立一个。