【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于鋰離子電池仿真建模領域，具體涉及構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法。
技術介紹
1、在過去幾十年中，隨著科學技術的飛速發展以及人口的增加，人們對能源的依賴程度越來越大。傳統能源如煤炭、石油、天然氣等被過度開采和使用，導致能源危機和環境污染問題日益嚴重。因此，許多國家都在努力尋找更環保的能源，以促進低碳生產，進一步緩解全球變暖問題。為了減少對化石燃料的依賴，國家積極鼓勵用新型能源替代化石燃料，大力支持新能源汽車發展。鋰離子電池以能量密度高、工作電壓高、自放電率低、環境友好等優點，成為目前新能源汽車理想的動力電池，也是極具前景的儲能設備。
2、鋰離子在嵌入和脫出過程中，電極顆粒會發生膨脹和收縮，從而導致電極材料發生體積變化。電極體積變化會在顆粒尺度上產生應力，即擴散應力。過大的擴散應力會導致顆粒開裂和斷裂，顆粒之間分離，活性層開裂和斷裂等，從而導致電池容量衰減、內阻增加、倍率性能下降和循環壽命下降。傳統的實驗方法僅可以獲取電池的電壓、溫度、容量等表觀特性，卻難以獲取電池內部的鋰離子濃度、應力以及位移分布等特性。越來越清楚的公識是，下一代更高性能的鋰離子電池開發將需要實驗人員和模擬人員之間的共同努力。所以除卻更先進的實驗表征方法之外，更好更先進的驗證工具和預測模型也十分重要。數值模擬仿真方法以其計算時間短、研究成本低等優點廣泛應用于鋰離子電池研究中，通過建立有效模型，可以輕松獲得電池內部的電化學和應力特征。
3、迄今為止，對多孔電極上的微觀結構的研究中，還存在實驗和模擬之間的脫節。
技術實現思路
1、針對現有模型無法模擬真實電極微觀結構的技術問題，本專利技術提供一種構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法，該方法基于電極真實微觀結構構建三維異構電化學-力耦合模型來研究鋰離子電池擴散應力、電化學性能和電極失效現象。該模型結合了電極尺度和顆粒尺度兩種維度，可以得到電池的宏觀性能和電池內部擴散應力濃度分布等特征。同時針對同一化學體系，研究了正極活性材料不同質量占比和不同壓實密度的電化學性能及應力分布，分析了活性材料占比和壓實密度對電池性能和顆粒擴散應力的影響，為預防電池失效和緩建容量衰減提供理論指導。
2、本專利技術采用的技術方案如下：
3、構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法，包括如下步驟：
4、s1.使用同步輻射x射線斷層顯微鏡對電極材料進行斷層掃描，識別電極材料中的活性顆粒，計算顆粒的幾何參數，建立鋰離子電池的幾何模型，設定邊界條件和進行網格劃分；
5、s2.基于鋰離子電池內部的電化學反應機理和力學平衡方程，結合s1所得的三維幾何模型以及電池材料的電化學參數和力學參數建立三維異構電化學-力耦合模型；
6、s3.根據s2所得三維異構電化學-力耦合模型計算鋰離子電池在充放電過程中的鋰離子濃度分布、充放電曲線、電化學特性和擴散應力分布，基于這些基本特性進一步研究電極的各項異性、均勻性、孔隙率對電池性能的影響以及包括顆粒斷裂和剝離在內的失效現象；
7、s4.根據三維異構電化學-力耦合模型和計算得到的數據，在控制材料參數不變的情況下，構建不同活性材料占比和不同壓縮力下的三維模型，進行對比分析擴散應力和電化學性能的不同，優化電池的結構和工藝。
8、進一步地，s1中，建立三維幾何模型包括顆粒尺度的建模和電極尺度的建模，顆粒尺度的建模具體為：對電極材料進行實驗表征，使用掃描電子顯微鏡獲得電極的形貌體征，隨后對電極進行斷層掃描，獲得電極的分層微觀結構，利用算法計算電極顆粒的粒度分布，標定顆粒的空間坐標，計算顆粒的半徑，隨后將這些幾何參數利用編程導入有限元計算軟件中，生成與真實電極材料顆粒相似的顆粒分布，顆粒簡化為球形，顆粒的半徑符合真實電極顆粒；電極尺度的建模具體為：獲得試驗電池隔膜和集流體的幾何和力學參數，隨后在模型中加入隔膜和集流體，可以得到整個鋰離子電池的三維尺寸，在幾何建模中構建長方體元素與顆粒幾何作差，定義作差所得區域為電極的導電劑和粘結劑，將這些區域組裝形成一個聯合體即得到鋰離子電池的三維幾何模型。
9、進一步地，s1中，設定邊界條件和進行網格劃分的具體過程包括：對三維幾何模型中的各部分結構給定電化學、力學邊界條件，最后進行網格劃分。
10、進一步地，邊界條件具體包括：
11、在固相傳質方面，假設活性顆粒中心的鋰離子始終等于初始濃度，不隨時間變化；在顆粒表面，擴散通量由菲克第一定律決定；
12、在液相傳質方面，在正負極集流體處設置無通量邊界條件；
13、在電荷轉移方面，在鋰負極表面上設置零電勢，在隔膜兩側設置絕緣邊界條件，在正極集流體上施加電流密度；
14、在力學方面，在負極上設置指定位移邊界條件。
15、進一步地，網格劃分的過程具體包括：
16、對幾何模型使用自由四面體劃分網格。
17、進一步地，s2中，電池材料的電化學參數和力學參數具體包括：
18、電池的材料體系為正極三元鎳鈷錳材料，負極為鋰金屬的半電池體系，電化學參數包括材料的電導率、正極的最大鋰濃度和初始鋰濃度、電解液材料的傳遞數、遷移數、法拉第常數和通用氣體常數；
19、力學參數包括材料的楊氏模量、泊松比、偏摩爾體積和密度。
20、進一步地，s2中，鋰離子電池內部的反應機理和力學平衡方程包括質量守恒方程、電荷守恒方程、電化學反應動力學方程和本構方程。
21、進一步地，s2的建模過程具體為：在得到三維幾何模型之后，將電池材料的電化學參數和力學參數輸入到模型對應的區域之中，然后將質量守恒方程、電荷守恒方程、電化學反應動力學方程和力學平衡方程寫入模型之中即得到三維電化學-力耦合模型。
22、進一步地，s3中，計算過程具體包括：為簡化研究，選取電極的一部分作為代表體積元，結合固相傳質、液相傳質和電荷轉移邊界條件，計算得到電池顆粒內的鋰離子濃度分布、電解質濃度分布、鋰離子通量；結合鋰離子濃度分布、各活性材料的鋰化膨脹系數和力學邊界條件，計算得到電池顆粒的三維擴散應力和應變，以及包括分析斷裂和剝離的失效現象。
23、進一步地，s4中，對電極活性材料質量占比分別為90wt％、92wt％、94wt％和96wt％的正極材料和壓縮分別為90wt％0bar、90wt％600bar、90wt％2000bar、96wt％0bar、96wt％60本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法，其特征在于，S1中，建立三維幾何模型包括顆粒尺度的建模和電極尺度的建模；
3.根據權利要求1所述的構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法，其特征在于，S1中，邊界條件和進行網格劃分的具體過程包括：
4.根據權利要求1或3所述的構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法，其特征在于，所述邊界條件具體包括：
5.根據權利要求1或3所述的構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法，其特征在于，所述網格劃分的過程具體包括：
6.根據權利要求1所述的構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法，其特征在于，S2中，電池材料的電化學和力學參數具體包括：
7.根據權利要求1所述的構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法，其特征在于，S2中，鋰離子電池內部的反應機理和力學平衡關系等控制方程包括質量守恒方程、電荷守恒方程、電化
8.根據權利要求1所述的構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法，其特征在于，S3中，計算過程具體包括：
9.根據權利要求1所述的構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法，其特征在于，S4中，在控制材料參數不變的情況下，構建不同活性材料占比和不同壓實密度的三維模型，進行對比分析擴散應力和電化學性能的不同具體包括：
...【技術特征摘要】
1.構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法，其特征在于，s1中，建立三維幾何模型包括顆粒尺度的建模和電極尺度的建模；
3.根據權利要求1所述的構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法，其特征在于，s1中，邊界條件和進行網格劃分的具體過程包括：
4.根據權利要求1或3所述的構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法，其特征在于，所述邊界條件具體包括：
5.根據權利要求1或3所述的構建高保真微觀結構模型研究鋰離子電池擴散應力的方法，其特征在于，所述網格劃分的過程具體包括：
6.根據權利要求1所述的構...
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