Trong nh?ng th?p k? g?n ?ay, pin lithium-ion ?? thu hút s? chú y trong l?nh v?c v?t li?u n?ng l??ng. ??ng th?i, v?i s? phát tri?n c?a ly thuy?t c? b?n và l?nh v?c máy tính, nhi?u ph??ng pháp m? ph?ng tính toán ?? ???c áp d?ng trong nghiên c?u pin lithium-ion. Do sai sót trong quá trình thí nghi?m, các quy m? vi m?, ch?ng h?n nh? c? ch? phát tri?n c?a màng SEI, ??ng l?c khu?ch tán c?a các ion trong v?t li?u ?i?n c?c, s? phát tri?n c?a c?u trúc trong quá trình tích ?i?n và phóng ?i?n c?a v?t li?u ?i?n c?c, m?i quan h? gi?a ?i?n th? và c?u trúc, và s? phan b? c?a các l?p ?i?n tích kh?ng gian kh?ng th? gi?i quy?t ???c. Nh?ng k?t lu?n tr?c quan, ph??ng pháp th?c nghi?m kh?ng th? ??a ra l?i gi?i thích ly thuy?t r? ràng. Ng??c l?i, các ph??ng pháp m? ph?ng tính toán có l?i th? t??ng ??i trong vi?c hi?u ???c s? phát tri?n c?a hóa(chǎn) h?c bên trong và ?i?n hóa(chǎn) h?c c?a pin lithium-ion. Các tính toán ly thuy?t xác minh k?t qu? th? nghi?m c?a v?t li?u pin lithium-ion, ??ng th?i thúc ??y và h??ng d?n s? phát tri?n c?a v?t li?u pin. D??i ?ay chúng t?i gi?i thi?u m?t s? ph??ng pháp tính toán t??ng t? th??ng ???c s? d?ng và ?ng d?ng c?a chúng trong pin lithium-ion.

Ly thuy?t hàm m?t ?? ?? ???c s? d?ng r?ng r?i trong nghiên c?u pin lithium ion. Nó th??ng ???c s? d?ng ?? tính toán ?? ?n ??nh c?u trúc, ti?m n?ng chèn lithium, c?u trúc ?i?n t?, d?i n?ng l??ng, c?u trúc th? gi?n, n?ng l??ng t?o khuy?t t?t, ???ng di chuy?n, n?ng l??ng kích ho?t và lithium. Các tính ch?t nh? ??ng h?c v?n chuy?n ion và ?? ??m ??c c?a quá trình chuy?n pha lithium.

Giá tr? ?i?n áp c?a pin là m?t tham s? liên quan ??n s? thay ??i n?ng l??ng t? do c?a ph?n ?ng pin. Các v?t li?u khác nhau có ti?m n?ng chèn liti v?n có. V?t li?u làm ?i?n c?c ly t??ng là có ?i?n th? cao h?n ??i v?i ?i?n c?c d??ng, ?i?n th? th?p h?n ??i v?i ?i?n c?c am và s? khác bi?t v? ?i?n th? gi?a các ?i?n c?c khác nhau. N?ng l??ng pin lithium-ion có th? ???c tính theo ph?n ?ng c?a pin: (C?ng su?t 1 mol electron ???c bi?u th? b?ng F, và c?ng su?t e? c?a electron là

1,602 × 10?19 C) F = NA · e? = 96487,56 C / mol

G?i n là s? ?i?n tích chuy?n ???c trong quá trình ph?n ?ng c?a pin, khi ?ó c?ng qua pin là nF, c?ng c?c ??i mà pin th?c hi?n ???c là:

?Wr '= nFVAVE

Trong ?i?u ki?n ??ng nhi?t ??ng tích, n?ng l??ng t? do Gibbs c?a h? b?ng c?ng c?a h? ??i v?i th? gi?i bên ngoài:

ΔG = ?Wr '

ΔG = nFVAVE ， Và vì Li + có ??n v? ?i?n tích nên VAVE = ΔG / F

ΔG là n?ng l??ng t? do Gibbs c?a ph?n ?ng pin, gi? s? r?ng s? thay ??i v? th? tích và entropi do ph?n ?ng nhúng t? bào gay ra là kh?ng ?áng k?, thì

ΔG≈ΔE

vì v?y ： VAVE = ΔE / F

??i v?i h? th?ng pin trong ?ó ?i?n c?c d??ng là LiA và ?i?n c?c am là B, gi? thi?t r?ng x liti ???c tách ra kh?i LiA và nhúng vào B sau khi s?c (quá trình s?c d??ng) và c?ng th?c ph?n ?ng là:

LiA + B → Li1 ? xA + LixB

?i?n áp trung bình c?a quá trình này là hi?u gi?a n?ng l??ng c?a m?i tr?ng thái cu?i t??ng ?ng c?a liti (Li1-xA, LixB) và tr?ng thái ban ??u (LiA, B), sau ?ó là ?i?n áp:

V = [E (Li1 ? xA) + E (LixB) ?E (LiA) ?E (B)] / xe

Khi ?i?n c?c am là liti kim lo?i, nó có th? ???c ??n gi?n hóa(chǎn) nh? sau:

V = [E (Li1 ? xA) + E (Lix) ?E (LiA)] / xe

B?ng cách tính t?ng n?ng l??ng c?a m?i ch?t tr??c và sau ph?n ?ng, có th? tính ???c th? ?i?n c?c theo c?ng th?c trên. Tuy nhiên, ??i v?i h?u h?t t?t c? các v?t li?u làm cat?t, ?i?n áp ???c tính theo ly thuy?t hàm m?t ?? là th?p. B?ng cách áp d?ng hi?u ch?nh + U cho GGA tiêu chu?n, ngh?a là, ph??ng pháp GGA + U, ho?c s? d?ng HSE06 ch?c n?ng lai, có th? thu ???c ?i?n áp g?n v?i giá tr? th? nghi?m h?n. Trong tính toán c?a v?t li?u cat?t oxit có ch?a các ion kim lo?i chuy?n ti?p 3d, hi?u ?ng t??ng quan m?nh ?? ???c c?ng nh?n là m?t hi?u ?ng c?n ???c xem xét.

Hình 1: GGA tiêu chu?n và GGA + U, HSE06 Tính toán các ion liti khác nhau

Tính toán nguyên t?c ??u tiên d?a trên hàm m?t ?? có th? thu ???c các ??c tính c?a v?t li?u ? tr?ng thái c? b?n ? nhi?t ?? kh?ng. S? v?n chuy?n c?a các nguyên t? và ion trong v?t li?u có th? ???c nghiên c?u b?ng m? ph?ng ??ng l?c h?c phan t? ? nhi?t ?? h?u h?n. Tính toán ??ng l?c h?c phan t? ???c s? d?ng nh? m?t ph??ng pháp m? ph?ng c?p nguyên t? s? d?ng hàm th? th?c nghi?m. So v?i ph??ng pháp nguyên t?c th? nh?t, nó có th? th?c hi?n m? ph?ng quy m? l?n h?n, có th? hi?n th? t?t h?n quá trình khu?ch tán ??ng ion lithium và phan tích nó.

??ng l?c h?c phan t? có th? m? ph?ng s? ti?n hóa(chǎn) c?a các h?t h? th?ng theo th?i gian, nhìn vào ???ng di chuy?n c?a ion, tính toán h? s? khu?ch tán c?a các h?t và ?? ?n ??nh c?a v?t li?u, nh?ng quy lu?t chuy?n ??ng c?a h?t là c? h?c Newton, và s? t?n t?i c?a các h?t ch?t l??ng th?p. ch?ng h?n nh? hydro và heli. Hi?u ?ng tính toán hi?u ?ng l??ng t? kh?ng ly t??ng. V? pin lithium-ion, ??ng l?c h?c phan t? có th? thu ???c h? s? khu?ch tán và ???ng di chuy?n c?a các ion trong v?t li?u, ?i?u này cung c?p cho chúng ta kh? n?ng hi?u ???c c? ch? khu?ch tán c?a các ion trong v?t li?u.

Yang ?? tính toán quá trình t? khu?ch tán c?a LiFePO4 và nh?n th?y r?ng s? di chuy?n c?a Li + trong v?t li?u kh?ng x?y ra liên t?c, mà x?y ra th?ng qua s? chuy?n ??i gi?a các v? trí m?ng tinh th? li?n k?. N?m 2014, Zhang Jungan và nh?ng ng??i khác t? ??i h?c Th??ng H?i ?? s? d?ng ??ng l?c h?c phan t? ?? m? ph?ng hành vi khu?ch tán c?a các ion lithium gi?a các l?p graphite trong quá trình s?c. Các ??c tính khu?ch tán ion liti c?a v?t li?u an?t b?ng than chì ? 300 K ?? ???c nghiên c?u. K?t qu? thí nghi?m cung c?p d? li?u c? b?n cho nghiên c?u m? hình quy m? liên t?c v? s? bi?n d?ng ?i?n c?c c?a pin lithium ion.

Hình 2: M? ph?ng ??ng l?c h?c phan t? cho th?y (a) qu? ??o c?a ion Li trong LiFePO4; (b) s? di chuy?n c?a các ion Li gi?a các kênh th?ng qua các khuy?t t?t chi?m gi? l?n nhau Li / Fe

Ph??ng pháp tr??ng pha d?a trên ly thuy?t Ginzburg-Landau. Ph??ng trình vi phan ???c s? d?ng ?? bi?u di?n s? khu?ch tán, th? ??t hàng và truy?n ??ng nhi?t ??ng l?c h?c c?a m?t c? ch? v?t ly c? th?. Các ph??ng trình trên ???c gi?i b?ng l?p trình máy tính. Nghiên c?u tr?ng thái t?c th?i c?a h? theo th?i gian và kh?ng gian. M? hình tr??ng pha d?a trên các nguyên t?c c? b?n c?a nhi?t ??ng l?c h?c và ??ng l?c h?c và là m?t c?ng c? m?nh m? ?? d? ?oán s? ti?n hóa(chǎn) c?a các vi c?u trúc trong quá trình chuy?n pha ? tr?ng thái r?n.

M? hình tr??ng pha có th? m? ph?ng s? phát tri?n tinh th?, chuy?n pha r?n, s? ti?n hóa(chǎn) v?t n?t, chuy?n pha màng, di chuy?n ion t?i b? m?t phan cách, v.v., nh?ng k?t qu? m? ph?ng thi?u so sánh ??nh l??ng v?i th?i gian quan sát. ?? dày giao di?n th??ng ???c ??t l?n h?n so v?i tình hình th?c t?. , d?n ??n vi?c thi?u các chi ti?t. Marnix Wagemaker (Tác gi? t??ng ?ng) c?a ??i h?c C?ng ngh? Delft ? Hà Lan ?? xu?t b?n m?t bài báo trên t?p chí Adv.Funct.Mater. vào n?m 2018 ?? ?? xu?t m? hình tr??ng pha nhi?t ??ng l?c h?c ?? chèn ion lithium vào spinel Li4Ti5O12, tích h?p d? li?u DFT. Kh? n?ng m? t? hành vi nhi?t ??ng l?c h?c hoàn ch?nh c?a các h?t phan tách pha cung c?p m?t h??ng c? th? ?? thi?t k? ?i?n c?c Li4Ti5O12 hi?u su?t t?t nh?t.

Hình 3: M? ph?ng ??n h?t LTO, m?i quan h? gi?a dung l??ng pin và dung l??ng phóng ?i?n danh ??nh và ?? dày ?i?n c?c trong m? ph?ng ?i?n c?c x?p

Ph??ng pháp ph?n t? h?u h?n là m?t k? thu?t s? ?? gi?i các nghi?m g?n ?úng c?a bài toán giá tr? biên c?a ph??ng trình ??o hàm riêng. Lu?ng c?a m? ph?ng ph??ng pháp ph?n t? h?u h?n nh? sau: 1. Tính r?i r?c c?a vùng bài toán gi?i 2. Xác ??nh bi?n tr?ng thái và ph??ng pháp ?i?u khi?n bi?n c?a vùng, t?c là ph??ng trình ti?n hóa(chǎn) c?a bi?n kh?ng gian th?i gian; 3. Suy ra ??n v?, t?p h?p ??n v? Gi?i t?ng th? ???c gi?i, cu?i cùng gi?i các ph??ng trình ??ng th?i và thu ???c k?t qu?.

?? hi?u r? h?n v? hành vi quá nhi?t c?a pin lithium-ion c?ng su?t l?n và c?ng su?t l?n cho xe ?i?n, Cao Binggang thu?c ??i h?c Giao th?ng Tay An ?? s? d?ng ph??ng pháp ph?n t? h?u h?n ?? m? ph?ng nhi?t ?? bên trong c?a pin khi xem xét n?i tr?, ??i l?u và t?n nhi?t ra bên ngoài. S? phan b? kh?ng gian, k?t qu? m? ph?ng phan b? nhi?t ?? c?a t? bào th? nghi?m trong lò nóng 155 ° C và thành ph?n pin c?a VLP50 / 62 / 100S-Fe (3,2 V / 55 A · h) LiFePO4 / graphite.

Hình 4: Phan b? m? ph?ng ph?n t? h?u h?n trong ? ? 155 ° C, 1200 giay và 3600 giay

M? ph?ng v?t li?u v? m? nh? m? hình tr??ng pha và ph??ng pháp ph?n t? h?u h?n t?p trung vào các v?n ?? k? thu?t và giúp hi?u các hi?n t??ng v? m? nh? ?ng su?t, truy?n nhi?t, dòng ch?y và kh?p n?i ?a tr??ng trong pin lithium-ion. Vi?c tính toán nguyên t?c ??u tiên d?a trên ly thuy?t hàm m?t ?? có l?i h?n cho các ??c tính vi v?t ly nh? n?ng l??ng và c?u trúc ?i?n t? c?a h? v?t ch?t.

V?i s? phát tri?n c?a ly thuy?t và ?ng d?ng r?ng r?i c?a m? ph?ng máy tính, khoa h?c v?t li?u tính toán s? d?n ??u và xác minh khoa h?c v?t li?u th?c nghi?m. Vi?c tính toán t? quy m? v? m? ??n ly thuy?t vi m? s? thúc ??y r?t nhi?u s? phát tri?n c?a l?nh v?c v?t li?u, ??i v?i pin lithium-ion. V? nhi?u v?n ?? trong khoa h?c th?c nghi?m, v?i s? tr? giúp c?a các m? ph?ng tính toán, nó c?ng s? là m?t l?i gi?i thích ly thuy?t r? ràng. S? hi?u bi?t v? các ph??ng pháp m? ph?ng tính toán cho pin lithium-ion s? thúc ??y quá trình phát tri?n và ?ng d?ng v?t li?u pin lithium-ion.

Tài li?u tham kh?o:

[1] Huang Jie, Ling Shigang, Wang Xuelong, et al. Bài toán Khoa h?c c? b?n v? Pin Lithium Ion (XIV) —— Ph??ng pháp tính toán [J]. Khoa h?c và C?ng ngh? L?u tr? N?ng l??ng, 2015, 4 (2): 215-230.

[2] Ji Xiang, Song Yicheng, Zhang Jungan. M? ph?ng ??ng l?c h?c phan t? c?a tính ch?t khu?ch tán c?a Li_xC_6 trong pin Lithium Ion [J]. T?p chí ??i h?c Th??ng H?i (Khoa h?c T? nhiên), 2014 (1): 68-74.

[3] Shi Siqi (Sisi Qi). Nghiên c?u nguyên t?c ??u tiên v? v?t li?u cat?t cho pin lithium-ion [D]. B?c Kinh: Vi?n V?t ly H?c vi?n Khoa h?c Trung Qu?c, 2004. [4] Yang JJ ， Tse J S. C? ch? khu?ch tán ion Li trong LiFePO4 ： M?t nghiên c?u ??ng h?c phan t? abinitio [J]. J. V?t ly. Chèm. A ， 2011，115 （45） ： 13045-13049.

[5] Vasileiadis A, Klerk NJJD, Smith RB, và c?ng s?. H??ng t?i Hi?u su?t T?i ?u và Hi?u bi?t Sau s?c v? ?i?n c?c Spinel Li4Ti5O12 th?ng qua M? hình Tr??ng Pha [J]. V?t li?u ch?c n?ng nang cao, 2018.

[6] Herzmann C, Günther G, Eker B, et al. M? hình ph?n t? h?u h?n nhi?t ba chi?u c?a pin lithium-ion trong ?ng d?ng l?m d?ng nhi?t [J]. T?p chí Ngu?n ?i?n, 2010, 195 (8): 2393-2398.