电池电极材料中计算机仿真技术的应用.pdf

第 12 卷 第 10 期2023 年 10 月Vol.12 No.10Oct.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology电池电极材料中计算机仿真技术的应用赵琰，严坤（宜春职业技术学院，江西 宜春 336000）近年来，商业化的绿色能源电池得到了广泛应用，对质量更好的电池设备的需求越来越高，钠离子电池和锂硫电池这两种新型的能源电池逐渐引起了研究者的重视。因此，通过计算机仿真技术可以让人们更加直观地认识到电池的特性，为电池材料的优化发展奠定良好的基础。1 锂离子电池相较于二次电池，锂离子有以下特点。首先，无记忆效应。锂离子电池与传统的电池相比，并不具备记忆效应，因此，无需放电使用。其次，可长时间存放。由于锂电池自放电量很少，一般每个月放电量几乎不到镍氢电池的1/20。此外，环保高效。由于锂离子电池中不含铅、汞重金属元素，使用时，不会产生污染环境的废物，因此更加环保、绿色、安全。1.1锂离子电池电极材料简述1.1.1负极材料一般锂离子电池的负极材料是可嵌锂化物，其具有以下特点：具有较低的嵌锂电位和较高的与锂发生氧化-还原反应的电压，具有较高的可逆性。在每单位质量中，能量存储密度更高。嵌出速率快，扩散阻抗低，具有优异的离子导电及电子导电性能。对金属箔具有良好的附着力，在烘烤时不会轻易脱落。亲水性好，无需使用NMP，降低了生产费用，提高了产品的稳定性。1.1.2正极材料正极材料作为锂离子电池中一种关键的原材料，是锂离子的主要来源，并且能够直接参与电池中的电化学反应。目前，常用的正极材料包括锂锰氧化物、锂钒氧化物、镍钴氧化物、镍铁氧化物、镍锌氧化物、铁酸镍等。1.2锂离子电池中计算机模拟技术的应用1.2.1第一性原理第一性原理是一种利用量子力学的理论方法，仅需5个基础常量(m0、e、h、c、kB)即可得到该系统的各种物性参数，具有精度高、计算量大等特点。通过第一性原则，可以对锂电池在制备过程中发生的各种温度、压力、物质转变等现象进行数值模拟。同时，还可以对微量的杂质导致的金属脆化现象进行数值模拟，从而实现设计质量提高。而根据第一性原理给出的研究结果，可以为实验人员提供定量的理论依据，解释一些常见的设计优化问题。1.2.2分子动力学分子动力学是一种基于原子尺度的数值模拟技术，可以实现更大尺度的数值模拟，也可以更好地描述和解析锂离子的动力学行为，但由于颗粒的运动遵循牛顿理论，对于氢、氦等重量更小的颗粒，其量子化的效率并不高。1.2.3有限元方法在锂离子电池的计算机模拟中，有限元方法可以用于研究电池的电化学行为、热力学性质以及力学性质等。通过建立力学模型的有限元方程，模拟电池在不同充放电状态下的力学性质，包括电池的变形、振动等，可以对电池的力学性质进行更精确的描述，更好地预测电池的使用性能和安全性等。2 钠离子电池钠离子电池是一种新型电池，具有潜在的优势和应用前景，相比于锂离子电池，它具有更低成本、更高安全性和更广泛的适用范围等优点。钠离子电池的工作原理是利用钠离子在正负极之间迁移和嵌入/脱出，实现电能储存和释放。由于钠离子电池不需要使用稀有金属，因此它不受资源限制，同时具有较好的低温性能和较高的安全性能。因钠离子电池允许放电到0 V，丝毫不逊色于磷酸铁锂电池，同时有望以成本优势在大规模储能中替代传统的铅酸电池。资讯聚焦2023 年第 12 卷储能科学与技术2.1钠离子电池电极材料2.1.1钠离子电池负极材料实验表明，钠离子电池的负极材料常用金属钠，但同样不可避免会有枝晶问题产生，同时钠的熔点较低，存在着较大的安全隐患，从而不能用于商业。与锂离子电池相同的是，钠离子电池的负极材料通常选用合金或嵌钠性能材料，常用材料有碳基材料、金属氧化物材料、金属或合金材料。2.1.2钠离子电池正极材料相似于锂离子电池，钠离子电池体系中最核心的材料为正极材料，其通常为嵌入型化合物，且需满足下列要求：结构、电子电导率、离子电导率、比容量、氧化还原电位、电化学循环性能等稳定良好。通常钠离子正极材料包含聚阴离子型化合物和过渡金属氧化物。2.2钠离子电池中计算机模拟技术的应用相比于锂离子电池较为成熟的体系来说，钠离子电池仍旧处于科研阶段，未能大量投入生产。通过使用计算机模拟技术能够明确了解充放电过程中钠离子电池的化学反应、质量转移、电荷转移等过程。此外，从微观层面上，认识电极材料的物性与结构关系，为电池的性能优化与革新提供理论基础。3 锂硫电池锂硫电池是锂电池的一种，以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极。锂硫电池具有很多优点，例如比能量高、成本低、环境友好等，因此具有极大的发展潜力。但是，锂硫电池的关键问题是多硫化物的“穿梭”效应，该效应导致活性物质从阴极逐渐泄漏，从而导致电池寿命降低。作为一种新型的高能量密度、高安全性的电池技术，锂硫电池能够成为新能源汽车的重要能量来源。3.1锂硫电池电极材料简述3.1.1锂硫电池负极材料锂硫电池的负极材料主要有金属锂和石墨两种选择。在锂硫电池中，金属锂具有一定的局限性。由于硫的极高电化学活性，锂在反应中会与硫化物反应生成锂硫物，导致金属锂的消耗过快和电化学效率下降。相比之下，石墨负极可以抑制锂与硫的反应，提高锂离子的存储效率和循环寿命。3.1.2锂硫电池正极材料锂硫电池的正极材料主要是多孔碳材料、碳纳米管、石墨烯等复合物。通过将硫与多孔碳材料、碳纳米管、石墨烯等复合，可以改善硫的导电性和化学稳定性，从而提高锂硫电池的电化学性能。此外，金属氧化物和导电聚合物也可以作为锂硫电池的正极材料，但它们的成本较高，应用范围相对较窄。3.2锂硫电池中计算机模拟技术的应用在锂硫电池中，计算机模拟技术主要应用于电极材料的设计与优化、电池性能的预测与评估、电池反应机理的研究等领域。但锂硫电池正极材料无法实现产业化生产，因此，相关的技术应用集中在正极材料改性，未触及到整体设计方面。4 结论与展望伴随着化学、物理、材料等学科以及计算机模拟技术的不断发展，计算机仿真技术已经逐渐成为了新能源电池材料领域中研发的重要技术支撑。将试验和计算机模拟技术相结合，能够有效地解决与电池电极材料有关的问题，归纳如下：（1）材料设计：通过实验测定和计算机模拟计算，可以更加深入地了解材料的物理化学性质，预测材料的性能，从而设计出具有优良性能的电池电极材料。（2）反应机理研究：通过实验和计算机模拟，可以揭示电池充放电过程中的反应机理，深入了解电极材料与电解质之间的作用机制，为电池性能的优化提供理论指导。（3）性能预测与优化：实验和计算机模拟技术结合，可以预测电池电极材料的电化学性能，并优化电极结构，提高电池的能量密度和稳定性。（4）安全性评估：通过实验测定和计算机模拟计算，可以对电池电极材料的安全性进行评估，预测其在各种条件下的稳定性，为电池的安全使用提供理论支持。当前，计算机模拟技术朝着快速、精确的方向发展，有利于提高电池电极材料研发创新，进而生产出更加低成本、高效的电池，从而为新能源汽车行业发展奠定基础。3286