[發(fā)明專利]一種三元正極材料配料系統(tǒng)的集成建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810356509.8
• 申請(qǐng)日: 2018-04-19
• 公開（公告）號(hào): CN108549789B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳寧;田爽;桂衛(wèi)華;王接喜;李旭;吳昌寶;戴佳陽;謝濱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué);湖南杉杉新能源有限公司
• 主分類號(hào): G16C20/10
• 分類號(hào): G16C20/10;G16C20/70;H01M4/505;H01M4/525
• 代理公司: 廣州市紅荔專利代理有限公司 44214
• 代理人: 吝秀梅

本發(fā)明公開了一種三元正極材料配料系統(tǒng)的集成建模方法，首先根據(jù)三元正極材料制備原料與反應(yīng)機(jī)理，基于物料守恒建立機(jī)理模型得到原料重量配比。再提出半監(jiān)督加權(quán)概率主元回歸算法建立鋰損失系數(shù)軟測(cè)量模型，該軟測(cè)量模型通過選取與查詢樣本相似度最高的訓(xùn)練樣本進(jìn)行建模，再采用半監(jiān)督學(xué)習(xí)與樣本加權(quán)解決反應(yīng)過程中數(shù)據(jù)標(biāo)簽缺失及非線性強(qiáng)的問題。最后將鋰損失系數(shù)轉(zhuǎn)化為鋰損失量對(duì)機(jī)理模型中鋰源消耗量進(jìn)行補(bǔ)償，建立三元材料配料系統(tǒng)集成模型。利用本發(fā)明能夠預(yù)測(cè)生產(chǎn)過程的鋰損失系數(shù)，能夠準(zhǔn)確得到三元正極材料的原料配比量，可以為三元正極材料的制備工業(yè)提供很好的指導(dǎo)作用，降低產(chǎn)品表面游離鋰。

所述領(lǐng)域

本發(fā)明屬于控制系統(tǒng)建模領(lǐng)域，具體為一種基于鋰離子電池三元正極材料配系統(tǒng)的集成建模方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池正極材料作為鋰離子電池的主要材料，占鋰離子電池總成本的30％～40％，且直接決定了電池的工作電壓、壽命、容量、安全性和成本，是構(gòu)成鋰離子電池的重要材料。三元鋰電池具有能量密度高，循環(huán)性能好，充電效率高等特性，是混合型動(dòng)力電源的理想選擇。而我國(guó)雖然鋰離子電池材料的生產(chǎn)規(guī)模大，但三元正極材料制備過程仍然存在配比不規(guī)范、產(chǎn)品雜質(zhì)高等諸多問題，導(dǎo)致高端產(chǎn)品占有率低，嚴(yán)重制約鋰離子電池正極材料的發(fā)展。究其根本是由于三元材料中Ni元素含量的變化導(dǎo)致Li/Ni混排程度不同，通常Ni含量升高陽離子混排嚴(yán)重。所謂Li/Ni混排即表示在材料的晶體結(jié)構(gòu)中Ni代替了其中Li的位置，導(dǎo)致材料鋰含量降低。這樣不僅降低了材料的放電比容量，而且阻礙Li⁺擴(kuò)散，使材料電化學(xué)性能變差。在三元材料制備過程中，體現(xiàn)在原料中鋰元素大部分參與反應(yīng)進(jìn)入三元正極材料中，也會(huì)有一部分由于陽離子混排或鋰源過量添加等原因無法進(jìn)入材料中，最終以鋰的氧化物、氫氧化物及碳酸鹽等形式殘留于產(chǎn)品表面，成為材料表面雜質(zhì)，稱作游離鋰。游離鋰的產(chǎn)生主要受到原料鋰化比及燒結(jié)溫度的影響，鋰化比即為原料中鋰與M(Ni,Co,Mn)的配比量。因此反應(yīng)中如何控制原料鋰化配比，幫助控制三元正極材料燒結(jié)過程中的鋰損失是十分重要的。

實(shí)際的三元材料制備反應(yīng)過程中，原料間相互反應(yīng)可以基于原料守恒對(duì)反應(yīng)物及生成物消耗進(jìn)行描述。但實(shí)際生產(chǎn)中不僅原料與原料發(fā)生反應(yīng)，原料也會(huì)與空氣中雜質(zhì)及反應(yīng)生成物再次發(fā)生反應(yīng)，最終導(dǎo)致原料消耗并生成游離鋰。游離鋰生成過程中存在多種競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，導(dǎo)致其難以通過化學(xué)反應(yīng)機(jī)理建模。且游離鋰生成過程發(fā)生在密閉輥道窯中，無法實(shí)時(shí)檢測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)狀況。現(xiàn)有檢測(cè)手段只能在燒結(jié)反應(yīng)后進(jìn)行離線檢測(cè)，且采樣間隔時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致大量的生產(chǎn)溫度數(shù)據(jù)值對(duì)應(yīng)少量的輸出數(shù)據(jù)。為了準(zhǔn)確控制產(chǎn)品鋰含量、減少鋰損失，對(duì)鋰離子電池三元正極材料制備過程的原料配比進(jìn)行建模求解是十分有必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于三元正極材料配料系統(tǒng)的集成建模方法，所建立的模型中集成了三元正極材料制備反應(yīng)機(jī)理模型與鋰損失系數(shù)軟測(cè)量模型。

本發(fā)明首先根據(jù)物料守恒原理和化學(xué)反應(yīng)原理，建立配料系統(tǒng)機(jī)理模型，但機(jī)理模型難以通過化學(xué)方法對(duì)制備反應(yīng)中游離鋰生成過程的復(fù)雜非線性反應(yīng)進(jìn)行分析。由于游離鋰生成過程中反應(yīng)環(huán)境非線性強(qiáng)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)存在標(biāo)簽缺失等問題，提出半監(jiān)督加權(quán)概率主元回歸模型對(duì)生產(chǎn)過程鋰損失系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。最后結(jié)合鋰損失系數(shù)預(yù)測(cè)模型對(duì)反應(yīng)過程鋰損失量進(jìn)行補(bǔ)償，建立三元正極材料配料系統(tǒng)集成模型，以此解決產(chǎn)品配比不精確，表面游離鋰含量大等問題。具體過程如下：

一種基于鋰離子電池三元正極材料制備過程的原料配比建模方法，包括如下步驟：

1)配料機(jī)理建模

三元材料的合成原理是：以三元前驅(qū)體M(OH)₂和氫氧化鋰LiOH為原料，經(jīng)過配料和燒結(jié)合成三元正極材料，反應(yīng)原理如式(1)，其中M為Ni,Co,Mn三種元素的任意比例組合；