[發明專利]鋰離子電池正極材料導電性能仿真生成方法

有效

• 申請號: 201910372142.3
• 申請日: 2019-05-06
• 公開（公告）號: CN110069890B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 陳云霞;朱家曉;金毅;李大慶;康銳
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京孚睿灣知識產權代理事務所(普通合伙) 11474
• 代理人: 張冬花

本發明提供一種鋰離子電池正極材料導電性能仿真生成方法，其包括：S1、確定正極材料模型的參數；S2、計算正極材料模型中活性材料微粒和導電劑微粒的數目；S3、隨機生成活性材料微粒和導電劑微粒的空間位置；S4、將微粒壓縮至規定空間以構建正極材料模型；S5、利用有限元分析模擬計算給定電壓下正極材料模型的電流密度分布；S6、利用模型串聯規律計算平均電流密度并計算導電率；S7、重復上述過程并計算電導率平均值。本發明能夠對于導電劑摻雜下鋰離子電池正極材料的導電性能進行模擬仿真，為鋰離子電池正極材料制備配方的優化提供了方法支撐。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池性能仿真分析技術領域，特別涉及一種鋰離子電池正極材料導電性能仿真生成方法。

背景技術

鋰離子電池正極材料是鋰離子電池的重要組成部分，正極材料的導電性能優劣直接影響了電池的續航能力以及輸出功率。正極材料的主要組成成分為活性材料、導電劑和粘合劑。目前最廣泛采用于電動汽車或高負載水平的大電池中是以LiFePO₄為主的活性材料，而且LiFePO₄在自然界是以磷鐵鋰礦形式存在的，其結構穩定、資源豐富、安全性能好。但是LiFePO₄等活性材料的特征導致了其具有很低的電子導電率和鋰離子擴散率，因而在制備過程中需要加入適量的導電劑諸如炭黑以改善其導電性能。而不同的導電劑摻雜比例直接決定了正極材料導電性能的好壞。因此，需要構建合適的模型用以定量確定不同摻雜比例下正極材料的導電性能。

目前對于摻雜導電劑后正極材料導電性能的研究主要在理論和實驗兩個方面。理論研究模型十分稀少，大部分理論模型都包含著許多特定的限制條件并不適合指導材料的制備；實驗方面主要通過摻雜不同質量分數的導電劑進行大量反復的實驗，周期較長且成本高昂。

發明內容

為解決上述問題，本發明提供了一種鋰離子電池正極材料導電性能仿真生成方法，其基于導電劑之間的通道效應原理，假設導電劑隨機均勻分布于活性材料中間，通過隨機生成空間位置的方法，利用模型的串聯關系以及有限元分析相結合的方法仿真計算不同摻雜比例下的正極材料電導率。

具體地，本發明提供了一種鋰離子電池正極材料導電性能仿真生成方法，其具體步驟如下所示：

S1：設置導電劑摻雜比例w_導、粘合劑摻雜比例w_粘、活性材料尺寸、導電劑尺寸以及材料孔隙率p參數，并給定仿真空間的大小；

S2：利用活性材料和導電劑的密度，并根據步驟S1所設置的導電劑摻雜比例、材料的孔隙率，計算在給定仿真空間下，活性材料微粒和導電劑微粒的個數；

S3：隨機生成在N倍于給定仿真空間體積下的活性材料微粒和導電劑微粒位置分布；

S4：將隨機分布的活性材料微粒和導電劑微粒所處的空間壓縮至給定仿真空間大小，從而構建了電學仿真所需的正極材料仿真輸入模型；

S5：將所構建的正極材料仿真輸入模型導入電學分析模塊中，并設置活性材料以及導電劑的導電率，仿真計算在給定電壓下所構建的正極材料在通道效應下的電流密度分布；

S6：根據步驟S5中獲得的正極材料的電流密度分布，獲取S5中所施加的給定電壓的平面的節點電流密度，計算給定電壓平面的節點電流密度的平均值，并利用正極材料仿真輸入模型的串聯規律關系，得到正極材料的平均電流密度j_all，進而利用電導率計算表達式獲得正極材料電導率σ：

其中，I為流經正極材料的電流，U為正極材料兩端所加電壓，L為正極材料的長度，S為正極材料的橫截面積；以及

S7：重復上述仿真過程獲取多次電導率σ，并選取平均值作為該正極材料的導電率。