{"id":1804,"date":"2019-05-22T02:48:07","date_gmt":"2019-05-22T02:48:07","guid":{"rendered":"http:\/\/www.meetyoucarbide.com\/single-post-the-commonly-used-analog-calculation-method-in-the-field-of-lithium\/"},"modified":"2020-05-04T13:12:03","modified_gmt":"2020-05-04T13:12:03","slug":"the-commonly-used-analog-calculation-method-in-the-field-of-lithium","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/the-commonly-used-analog-calculation-method-in-the-field-of-lithium\/","title":{"rendered":"Powszechnie stosowana analogiczna metoda obliczeniowa w dziedzinie litu"},"content":{"rendered":"
\n
\n
W ostatnich dziesi\u0119cioleciach akumulatory litowo-jonowe przyci\u0105gn\u0119\u0142y uwag\u0119 w dziedzinie materia\u0142\u00f3w energetycznych. Jednocze\u015bnie, wraz z rozwojem podstawowej teorii i pola komputerowego, w badaniach akumulator\u00f3w litowo-jonowych zastosowano wiele metod obliczeniowych. Ze wzgl\u0119du na b\u0142\u0119dy w procesie eksperymentalnym, skale mikroskopowe, takie jak mechanizm wzrostu b\u0142on SEI, dynamika dyfuzji jon\u00f3w w materia\u0142ach elektrod, ewolucja struktur podczas \u0142adowania i roz\u0142adowywania materia\u0142\u00f3w elektrod, zwi\u0105zek mi\u0119dzy potencja\u0142em a struktur\u0105 oraz rozk\u0142ad warstw \u0142adunku kosmicznego nie mo\u017ce by\u0107 rozwi\u0105zany. Intuicyjne wnioski, metody eksperymentalne nie mog\u0105 da\u0107 jasnego wyja\u015bnienia teoretycznego. Natomiast metody symulacji obliczeniowej maj\u0105 wzgl\u0119dne zalety w zrozumieniu ewolucji chemii wewn\u0119trznej i elektrochemii akumulator\u00f3w litowo-jonowych. Obliczenia teoretyczne weryfikuj\u0105 wyniki eksperymentalne materia\u0142\u00f3w akumulator\u00f3w litowo-jonowych, a tak\u017ce promuj\u0105 i kieruj\u0105 rozwojem materia\u0142\u00f3w akumulatorowych. Poni\u017cej przedstawiamy kilka powszechnie stosowanych analogowych metod obliczeniowych i ich zastosowania w akumulatorach litowo-jonowych.<\/div>\n

Zastosowanie teorii funkcjonalnej g\u0119sto\u015bci<\/h2>\n
Teoria funkcjonalna g\u0119sto\u015bci jest szeroko stosowana w badaniach akumulator\u00f3w litowo-jonowych. Jest powszechnie stosowany do obliczania stabilno\u015bci strukturalnej, potencja\u0142u wstawiania litu, struktury elektronicznej, pasma energii, struktury relaksacyjnej, energii generowania defekt\u00f3w, \u015bcie\u017cki migracji, energii aktywacji i litu. W\u0142a\u015bciwo\u015bci takie jak kinetyka transportu jon\u00f3w i deinterkalacja przej\u015b\u0107 faz litowych.<\/div>\n
Warto\u015b\u0107 napi\u0119cia akumulatora jest parametrem zwi\u0105zanym ze zmian\u0105 swobodnej energii reakcji akumulatora. R\u00f3\u017cne materia\u0142y maj\u0105 nieod\u0142\u0105czny potencja\u0142 wstawiania litu. Materia\u0142 elektrody idealnie ma wy\u017cszy potencja\u0142 dla elektrody dodatniej, ni\u017cszy potencja\u0142 dla elektrody ujemnej i r\u00f3\u017cnic\u0119 potencja\u0142\u00f3w mi\u0119dzy r\u00f3\u017cnymi elektrodami. Moc baterii litowo-jonowej mo\u017cna obliczy\u0107 na podstawie reakcji baterii: (1 molowa moc elektronu jest wyra\u017cona przez F, a elektronowa moc jest<\/div>\n
1,602 \u00d7 10\u221219 \u00b0 C) F = NA \u00b7 e = = 96487,56 C \/ mol<\/div>\n
Niech n b\u0119dzie liczb\u0105 \u0142adunk\u00f3w przenoszonych podczas reakcji akumulatora, wtedy akumulator przez akumulator wynosi nF, maksymalna praca elektryczna wykonana przez akumulator wynosi:<\/div>\n
\u2212Wr '= nFVAVE<\/div>\n
W izotermicznych warunkach izostatycznych energia swobodna Gibbsa w systemie jest r\u00f3wna pracy wykonanej przez system na zewn\u0105trz:<\/div>\n
\u0394G = \u2212Wr \u201d<\/div>\n
GG = nFVAVE, a poniewa\u017c Li + ma jednostk\u0119 \u0142adunku, VAVE = GG \/ F<\/div>\n
\u0394G jest energi\u0105 swobodn\u0105 Gibbsa reakcji baterii, przy za\u0142o\u017ceniu, \u017ce zmiana obj\u0119to\u015bci i entropii spowodowana reakcj\u0105 osadzania ogniwa jest znikoma, w\u00f3wczas<\/div>\n
\u0394G\u2248\u0394E<\/div>\n
wi\u0119c \uff1a VAVE = \u0394E \/ F<\/div>\n
W przypadku systemu akumulator\u00f3w, w kt\u00f3rym elektrod\u0105 dodatni\u0105 jest LiA, a elektrod\u0105 ujemn\u0105 B, przyjmuje si\u0119, \u017ce x lit jest usuwany z LiA i osadzony w B po na\u0142adowaniu (proces \u0142adowania dodatniego), a wz\u00f3r reakcji jest nast\u0119puj\u0105cy:<\/div>\n
LiA + B \u2192 Li1 \u2212 xA + LixB<\/div>\n
\u015arednie napi\u0119cie tego procesu stanowi r\u00f3\u017cnic\u0119 mi\u0119dzy energi\u0105 ka\u017cdego stanu ko\u0144cowego odpowiadaj\u0105cego litowi (Li1-xA, LixB) a stanem pocz\u0105tkowym (LiA, B), a nast\u0119pnie napi\u0119cie:<\/div>\n
V = [E (Li1 \u2212 xA) + E (LixB) (E (LiA) \u2212E (B)] \/ xe<\/div>\n
Gdy elektrod\u0105 ujemn\u0105 jest lit metaliczny, mo\u017cna to upro\u015bci\u0107:<\/div>\n
V = [E (Li1 \u2212 xA) + E (Lix) \u2212E (LiA)] \/ xe<\/div>\n
Obliczaj\u0105c ca\u0142kowit\u0105 energi\u0119 ka\u017cdej substancji przed i po reakcji, potencja\u0142 elektrody mo\u017cna obliczy\u0107 zgodnie z powy\u017cszym wzorem. Jednak dla prawie wszystkich materia\u0142\u00f3w katodowych napi\u0119cie obliczone na podstawie teorii funkcjonalnej g\u0119sto\u015bci jest niskie. Stosuj\u0105c korekt\u0119 + U do standardowego GGA, czyli metody GGA + U, lub stosuj\u0105c hybrydow\u0105 funkcjonaln\u0105 HSE06, mo\u017cna uzyska\u0107 napi\u0119cie zbli\u017cone do warto\u015bci eksperymentalnej. W obliczeniach materia\u0142\u00f3w katod tlenkowych zawieraj\u0105cych 3d jony metali przej\u015bciowych silny efekt korelacji zosta\u0142 uznany za efekt, kt\u00f3ry nale\u017cy wzi\u0105\u0107 pod uwag\u0119.<\/div>\n

\"\"<\/p>\n

Ryc. 1: Standardowe GGA i GGA + U, HSE06 Oblicz r\u00f3\u017cne jony litu<\/div>\n

Metoda dynamiki molekularnej<\/h2>\n
Pierwotne zasady obliczania oparte na funkcji g\u0119sto\u015bci mog\u0105 uzyska\u0107 w\u0142a\u015bciwo\u015bci materia\u0142u w stanie zerowym temperatury gruntu. Transport atom\u00f3w i jon\u00f3w w materiale mo\u017cna bada\u0107 poprzez symulacj\u0119 dynamiki molekularnej w sko\u0144czonej temperaturze. Obliczenia dynamiki molekularnej stosuje si\u0119 jako metod\u0119 symulacji na poziomie atomowym z wykorzystaniem funkcji potencja\u0142u empirycznego. W por\u00f3wnaniu z metod\u0105 pierwszorz\u0119dn\u0105 mo\u017ce przeprowadzi\u0107 symulacj\u0119 na wi\u0119ksz\u0105 skal\u0119, kt\u00f3ra mo\u017ce lepiej wy\u015bwietla\u0107 proces dynamicznej dyfuzji jon\u00f3w litu i analizowa\u0107 go.<\/div>\n
Dynamika molekularna mo\u017ce symulowa\u0107 ewolucj\u0119 cz\u0105stek uk\u0142adu w czasie, patrze\u0107 na \u015bcie\u017ck\u0119 migracji jon\u00f3w, oblicza\u0107 wsp\u00f3\u0142czynnik dyfuzji cz\u0105stek i stabilno\u015b\u0107 materia\u0142\u00f3w, ale prawem ruchu cz\u0105stek jest mechanika newtonowska i istnienie cz\u0105stek niskiej jako\u015bci takich jak wod\u00f3r i hel Efekt obliczania efektu kwantowego nie jest idealny. W odniesieniu do akumulator\u00f3w litowo-jonowych dynamika molekularna mo\u017ce uzyska\u0107 wsp\u00f3\u0142czynnik dyfuzji i \u015bcie\u017ck\u0119 migracji jon\u00f3w w materia\u0142ach, co daje nam mo\u017cliwo\u015b\u0107 zrozumienia mechanizmu dyfuzji jon\u00f3w w materia\u0142ach.<\/div>\n
Yang obliczy\u0142 proces autodyfuzji LiFePO4 i stwierdzi\u0142, \u017ce migracja Li + w materiale nie zachodzi w spos\u00f3b ci\u0105g\u0142y, ale nast\u0119puje poprzez przej\u015bcie mi\u0119dzy s\u0105siednimi pozycjami sieci. W 2014 roku Zhang Jungan i inni z Uniwersytetu w Szanghaju wykorzystali dynamik\u0119 molekularn\u0105 do symulacji zachowania dyfuzyjnego jon\u00f3w litu mi\u0119dzy warstwami grafitu podczas \u0142adowania. Badano w\u0142a\u015bciwo\u015bci dyfuzyjne jonu litowego materia\u0142\u00f3w anod grafitowych w temperaturze 300 K. Wyniki eksperyment\u00f3w dostarczaj\u0105 podstawowych danych do ci\u0105g\u0142ego badania modelowego deformacji elektrody akumulatora litowo-jonowego.<\/div>\n

\"\"<\/p>\n

Ryc. 2: Symulacja dynamiki molekularnej pokazuje (a) trajektori\u0119 jon\u00f3w Li w LiFePO4; (b) migracja jon\u00f3w Li mi\u0119dzy kana\u0142ami poprzez wady wzajemnego zaj\u0119cia Li \/ Fe<\/div>\n

Model pola fazowego<\/h2>\n
Metoda pola fazowego oparta jest na teorii Ginzburga-Landaua. R\u00f3wnanie r\u00f3\u017cniczkowe s\u0142u\u017cy do przedstawienia dyfuzji, potencja\u0142u uporz\u0105dkowania i nap\u0119du termodynamicznego okre\u015blonego mechanizmu fizycznego. Powy\u017csze r\u00f3wnania rozwi\u0105zuje si\u0119 za pomoc\u0105 programowania komputerowego. Zbadaj chwilowy stan systemu w czasie i przestrzeni. Model pola fazowego oparty jest na podstawowych zasadach termodynamiki i dynamiki i jest pot\u0119\u017cnym narz\u0119dziem do przewidywania ewolucji mikrostruktur podczas przej\u015b\u0107 fazowych w ciele sta\u0142ym.<\/div>\n
Model pola fazowego mo\u017ce symulowa\u0107 wzrost kryszta\u0142\u00f3w, transformacj\u0119 fazy sta\u0142ej, ewolucj\u0119 p\u0119kni\u0119\u0107, przej\u015bcie fazy filmu, migracj\u0119 jon\u00f3w na interfejsie itp., Ale wyniki symulacji to brak por\u00f3wnania ilo\u015bciowego z obserwacj\u0105 czasu. Grubo\u015b\u0107 interfejsu jest zwykle ustawiona na wi\u0119ksz\u0105 ni\u017c rzeczywista sytuacja. , co prowadzi do braku szczeg\u00f3\u0142\u00f3w. Marnix Wagemaker (autor korespondent) z Delft University of Technology w Holandii opublikowa\u0142 artyku\u0142 w czasopi\u015bmie Adv.Funct.Mater. w 2018 r. zaproponuje termodynamiczny model pola fazowego do wprowadzania jonu litu do spinelu Li4Ti5O12, integruj\u0105cy dane DFT. Zdolno\u015b\u0107 do opisania pe\u0142nego zachowania termodynamicznego cz\u0105stek rozdzielonych fazowo zapewnia okre\u015blony kierunek projektowania najlepszej elektrody Li4Ti5O12.<\/div>\n

\"\"<\/p>\n

Rysunek 3: Symulacja pojedynczych cz\u0105stek LTO, zwi\u0105zek mi\u0119dzy pojemno\u015bci\u0105 baterii a nominaln\u0105 pojemno\u015bci\u0105 roz\u0142adowania i grubo\u015bci\u0105 elektrody w symulacji elektrody porowatej<\/div>\n

Metoda element\u00f3w sko\u0144czonych<\/h2>\n
Metoda element\u00f3w sko\u0144czonych jest technik\u0105 numeryczn\u0105 s\u0142u\u017c\u0105c\u0105 do rozwi\u0105zania przybli\u017conego rozwi\u0105zania problemu warto\u015bci brzegowych r\u00f3wna\u0144 r\u00f3\u017cniczkowych cz\u0105stkowych. Przebieg symulacji metod\u0105 element\u00f3w sko\u0144czonych jest nast\u0119puj\u0105cy: 1. Dyskretyzacja obszaru problemu rozwi\u0105zania 2. Wyznacz zmienn\u0105 stanu i metod\u0119 sterowania zmienn\u0105 regionu, to znaczy r\u00f3wnanie ewolucji zmiennej przestrzeni czasowej; 3. Wyprowad\u017a pojedyncz\u0105 jednostk\u0119, z\u0142\u00f3\u017c jednostk\u0119. Og\u00f3lne rozwi\u0105zanie jest rozwi\u0105zane, a na koniec rozwi\u0105zane s\u0105 r\u00f3wnania r\u00f3wnoczesne i uzyskane wyniki.<\/div>\n
Aby lepiej zrozumie\u0107 zjawisko przegrzania akumulator\u00f3w litowo-jonowych o du\u017cej pojemno\u015bci i du\u017cej mocy do pojazd\u00f3w elektrycznych, Cao Binggang z Xi'an Jiaotong University zastosowa\u0142 metod\u0119 element\u00f3w sko\u0144czonych do symulacji wewn\u0119trznej temperatury akumulatora przy uwzgl\u0119dnieniu rezystancji wewn\u0119trznej, konwekcja i rozproszenie zewn\u0119trzne. Rozk\u0142ad przestrzenny, wyniki symulacji rozk\u0142adu temperatury ogniwa testowego w gor\u0105cym piecu w 155 \u00b0 C oraz sk\u0142ad baterii VLP50 \/ 62 \/ 100S-Fe (3,2 V \/ 55 A \u00b7 h) LiFePO4 \/ grafit.<\/div>\n

\"\"<\/p>\n

Rycina 4: Rozk\u0142ad symulacji element\u00f3w sko\u0144czonych w kom\u00f3rce w 155 \u00b0 C, 1200 si 3600 s<\/div>\n
Symulacje makroskopowe materia\u0142\u00f3w, takie jak modele pola fazowego i metody element\u00f3w sko\u0144czonych, koncentruj\u0105 si\u0119 na zagadnieniach in\u017cynierskich i pomagaj\u0105 zrozumie\u0107 zjawiska makroskopowe, takie jak napr\u0119\u017cenia, przenoszenie ciep\u0142a, przep\u0142yw i sprz\u0119\u017cenie wielopolowe w akumulatorach litowo-jonowych. Pierwotne zasady obliczania oparte na teorii funkcjonalnej g\u0119sto\u015bci bardziej sprzyjaj\u0105 w\u0142a\u015bciwo\u015bciom fizykochemicznym, takim jak energia i struktura elektronowa uk\u0142adu materia\u0142owego.<\/div>\n
Wraz z rozwojem teorii i szerokim zastosowaniem symulacji komputerowych nauka o materia\u0142ach obliczeniowych poprowadzi i zweryfikuje nauk\u0119 o materia\u0142ach eksperymentalnych. Obliczenia od skali makroskopowej po teori\u0119 mikroskopow\u0105 znacznie przyczyni\u0105 si\u0119 do rozwoju pola materia\u0142owego dla akumulator\u00f3w litowo-jonowych. Pod wzgl\u0119dem wielu problem\u00f3w w nauce eksperymentalnej, przy pomocy symulacji obliczeniowych, b\u0119dzie to r\u00f3wnie\u017c jasne wyja\u015bnienie teoretyczne. Zrozumienie metod obliczeniowych symulacji akumulator\u00f3w litowo-jonowych przyspieszy rozw\u00f3j i zastosowanie materia\u0142\u00f3w akumulator\u00f3w litowo-jonowych.<\/div>\n
Odniesienie:<\/div>\n
[1] Huang Jie, Ling Shigang, Wang Xuelong i in. Podstawowy problem naukowy dotycz\u0105cy baterii litowo-jonowej (XIV) \u2014\u2014 Metoda obliczeniowa [J]. Energy Storage Science and Technology, 2015, 4 (2): 215\u2013230.<\/div>\n
[2] Ji Xiang, Song Yicheng, Zhang Jungan. Symulacja dynamiki molekularnej w\u0142a\u015bciwo\u015bci dyfuzyjnych Li_xC_6 w bateriach litowo-jonowych [J]. Journal of Shanghai University (Natural Science), 2014 (1): 68-74.<\/div>\n
[3] Shi Siqi (Sisi Qi). Badanie podstawowych zasad materia\u0142\u00f3w katodowych do akumulator\u00f3w litowo-jonowych [D]. Beijing: Institute of Physics Chinese Academy of Sciences, 2004. [4] Yang JJ, Tse J S. Mechanizmy dyfuzji jon\u00f3w Li w LiFePO4 study Badanie dynamiki molekularnej abinitio [J]. J. Phys. Chem. A, 2011, 115 \uff0845\uff09 \uff1a 13045-13049.<\/div>\n
[5] Vasileiadis A, Klerk NJJD, Smith RB i in. W kierunku optymalnej wydajno\u015bci i dog\u0142\u0119bnego zrozumienia elektrod Spinel Li4Ti5O12 za pomoc\u0105 modelowania fazowego [J]. Zaawansowane materia\u0142y funkcjonalne, 2018.<\/div>\n
[6] Herzmann C, G\u00fcnther G, Eker B, i in. Tr\u00f3jwymiarowe modelowanie termiczne element\u00f3w sko\u0144czonych baterii litowo-jonowych w zastosowaniach nadu\u017cywania ciep\u0142a [J]. Journal of Power Sources, 2010, 195 (8): 2393\u20132398.<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

In recent decades, lithium-ion batteries have attracted attention in the field of energy materials. At the same time, with the development of basic theory and computer field, many computational simulation methods have been applied in the research of lithium-ion batteries. Due to errors in the experimental process, microscopic scales, such as the growth mechanism of…<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[79],"tags":[],"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1804"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1804"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1804\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1804"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1804"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1804"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}