农田无线传感器网络节点锂离子电池性能测试方法与流程

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种农田无线传感器网络节点锂离子电池性能测试方法。

背景技术：

传统农业中大多使用孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人力勘测土质状况，跟踪温度水分，检测农作物的生长周期。这样既会耗费大量人力财力，而且还会出现信息的延误现象，影响对农作物管理的及时决断。采用无线传感器网络可以精确地获取农作物环境信息和农作物的生长状况的数据。由于传感器节点常被部署在复杂恶劣的环境中，因此大多数情况下是不可能接入正常的电力系统供电的。目前传感器节点主要依靠锂离子电池供电，为保证节点能较长时间的稳定工作，对供电模块电池的性能提出了较高的要求。

锂离子电池的性能在很大程度上是由用于存储锂离子的电极材料决定的，而负极材料在锂离子电池的电极材料中发挥着重要的作用。因此，研究高性能锂离子电池的负极材料是设计高性能锂离子电池的关键所在。目前商业化的锂离子电池的负极材料是石墨，其比容量(372mA h g^-1)低且存在安全隐患，因而学术界和研发界的研究主要集中在碳基负极材料上，其中既包括传统碳材料的改性，也包括新型碳基材料的开发。

为了满足客户要求和增加自身在本行业内的竞争实力，电池制造商不断开发新的电池材料和改善原有材料来提升电池的容量和循环寿命等性能，同时要求采用新材料或改善后的原有材料制作的锂离子电池能够满足关于电池安全的工业标准和准则。总的说来，锂离子电池的性能检测通常包括电池充放电检测以及热稳定性能检测。一方面，传统锂离子电池充放电检测一般通过电源及负载来实现，需通过人工观察电源及负载是否有电流通过，以判断电池能否充放电，该方式效率低，且容易错漏检；另一方面，通过制作实效电池进行电池热稳定性能检测会耗费大量的时间和资金，并且测试过程中很难确定电池处在高温下，电池内部电极材料进行化学反应的全过程。

技术实现要素：

针对传统锂离子电池充放电检测效率低，且容易错漏检以及通过制作实效电池进行电池热稳定性能检测会耗费大量的时间、资金且测试过程中很难确定电池内部电极材料进行化学反应的全过程的缺陷，本发明提出一种农田无线传感器网络节点锂离子电池性能测试方法，包括：

在分子结构级设计锂离子电池的负极材料的微观结构；

根据所述微观结构模拟并计算所述锂离子电池的负极材料的充放电性能；

模拟并计算所述锂离子电池的电极材料在预设极端条件下的热稳定性性能；

根据所述锂离子电池的负极材料的充放电性能和热稳定性性能评估所述锂离子电池的安全性性能。

可选地，所述在分子结构级设计锂离子电池的负极材料的微观结构，包括：

基于预设材料计算软件获取石墨的晶胞结构；

根据所述晶胞结构切出晶面指数为(111)的面，以搭建石墨烯结构；

其中，所述石墨烯结构为3×3晶胞结构；

为搭建的所述石墨烯结构引入缺陷，以增加锂离子插入/脱插的通道以及锂离子的存储位置。

可选地，所述为搭建的所述石墨烯结构引入缺陷，以增加锂离子插入/脱插的通道以及锂离子的存储位置，包括：

删除所述石墨烯结构中的一连接着三个六元环的碳原子，以得到引入缺陷的石墨烯结构；

其中，将所述微观结构的真空层厚度设为

可选地，所述根据所述微观结构模拟并计算所述锂离子电池的负极材料的充放电性能，包括：

检测所述锂离子电池的负极材料的容量以及循环寿命。

可选地，所述检测所述锂离子电池的负极材料的容量以及循环寿命，包括：

对引入缺陷的所述石墨烯结构进行性质计算，并获得所述引入缺陷的石墨烯结构的第一态密度数据文件；

基于单个锂原子吸附在所述引入缺陷的石墨烯结构的构型，搭建多个锂原子吸附在所述引入缺陷的石墨烯结构的构型；

对所述多个锂原子吸附在所述引入缺陷的石墨烯结构的构型进行性质计算，以获得此条件下第二态密度数据文件；

根据所述多个锂原子吸附在所述引入缺陷的石墨烯结构的构型进行热力学分析，并计算脱附反应的吉布斯自由能；

根据所述第一态密度数据文件和所述第二态密度数据文件分析计算所述引入缺陷的石墨烯结构作为所述锂离子电池的负极材料的比容量和电极电势；

分别根据所述比容量和所述电极电势与比容量阈值和电极电势阈值的比较结果，评估所述锂离子电池的负极材料的性能。

可选地，所述对引入缺陷的所述石墨烯结构进行性质计算，并获得所述引入缺陷的石墨烯结构的第一态密度数据文件之前，所述方法还包括：

确定所述锂离子电池的负极材料的微观结构的计算参数；

其中，所述计算参数包括所述锂离子电池的负极材料的微观结构的能量、梯度、位移和自洽场的收敛标准；

根据确定的所述计算参数对所述锂离子电池的负极材料的微观结构进行模型优化和能量计算。

可选地，所述方法还包括：

对所述引入缺陷的石墨烯结构进行优化处理，以得到引入缺陷的石墨烯结构的稳定构型。

可选地，所述模拟并计算所述锂离子电池的电极材料在预设极端条件下的热稳定性性能，包括：

模拟并计算所述预设极端条件下，所述锂离子电池的电极材料的总反应放热量。

可选地，所述模拟并计算所述预设极端条件下，所述锂离子电池的电极材料的总反应放热量，包括：

计算所述预设极端条件下，所述锂离子电池的电极材料的负极SEI膜的分解反应速率、负极/电解液的分解反应速率、正极/电解液的分解反应速率以及电解液的分解反应速率；

根据所述锂离子电池的电极材料的负极SEI膜的分解反应速率、负极/电解液的分解反应速率、正极/电解液的分解反应速率以及电解液的分解反应速率确定所述锂离子电池的电极材料的总反应放热量。

可选地，所述预设极端条件包括绝热环境。

本发明的农田无线传感器网络节点锂离子电池性能测试方法，通过在分子结构级设计锂离子电池的负极材料的微观结构，并根据所述微观结构模拟并计算所述锂离子电池的负极材料的充放电性能以及在预设极端条件下的热稳定性性能，以根据所述锂离子电池的负极材料的充放电性能和热稳定性性能评估所述锂离子电池的安全性性能，可实现任意电池负极材料的性能检测，提高检测速度，简化检测过程，减少实验工作量，并且可降低对检测设备的要求，节省实验成本，进而可提高检测结果的准确率，降低相对误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的农田无线传感器网络节点锂离子电池性能测试方法的流程示意图；

图2为本发明一个实施例的引入缺陷的石墨烯的结构示意图；

图3为图2所示实施例的引入缺陷的石墨烯结构的态密度图；

图4为本发明一个实施例的单个锂原子吸附在引入缺陷的石墨烯的结构示意图；

图5为图4所示实施例的引入缺陷的石墨烯结构的态密度图；

图6为本发明一个实施例的多个锂原子吸附在引入缺陷的石墨烯的结构示意图；

图7为图6所示实施例的引入缺陷的石墨烯结构的态密度图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一个实施例的农田无线传感器网络节点锂离子电池性能测试方法的流程示意图；如图1所示，该方法包括：

S1：在分子结构级设计锂离子电池的负极材料的微观结构；

S2：根据所述微观结构模拟并计算所述锂离子电池的负极材料的充放电性能；

S3：模拟并计算所述锂离子电池的电极材料在预设极端条件下的热稳定性性能；

S4：根据所述锂离子电池的负极材料的充放电性能和热稳定性性能评估所述锂离子电池的安全性性能。

本实施例的农田无线传感器网络节点锂离子电池性能测试方法，通过在分子结构级设计锂离子电池的负极材料的微观结构，并根据所述微观结构模拟并计算所述锂离子电池的负极材料的充放电性能以及在预设极端条件下的热稳定性性能，以根据所述锂离子电池的负极材料的充放电性能和热稳定性性能评估所述锂离子电池的安全性性能，可实现任意电池负极材料的性能检测，提高检测速度，简化检测过程，减少实验工作量，并且可降低对检测设备的要求，节省实验成本，进而可提高检测结果的准确率，降低相对误差。

进一步地，作为上述实施例的优选，步骤S1中在分子结构级设计锂离子电池的负极材料的微观结构，可以包括：

S11：基于预设材料计算软件获取石墨的晶胞结构；

举例来说，上述预设材料计算软件包括Materials Studio软件，基于该软件自带结构库可导入石墨的晶胞结构。

S12：根据所述晶胞结构切出晶面指数为(111)的面，以搭建石墨烯结构；

其中，所述石墨烯结构为3×3晶胞结构；

S13：为搭建的所述石墨烯结构引入缺陷，以增加锂离子插入/脱插的通道以及锂离子的存储位置。

可以理解的是，为了提高碳负极材料的电化学性能，需要控制碳负极材料的结构和改善材料的微观结构。因而考虑为搭建的石墨烯结构引入缺陷，增加锂插入和脱插的通道，同时也增加锂的存储位置。

进一步地，作为上述实施例的优选，步骤S13中为搭建的所述石墨烯结构引入缺陷，以增加锂离子插入/脱插的通道以及锂离子的存储位置，还可以包括：

删除所述石墨烯结构中的一连接着三个六元环的碳原子，以得到引入缺陷的石墨烯结构；

其中，为避免晶胞中层与层之间的相互影响，设置所述微观结构的真空层厚度为

进一步地，作为上述实施例的优选，步骤S2中所述根据所述微观结构模拟并计算所述锂离子电池的负极材料的充放电性能，可以包括：

S21：检测所述锂离子电池的负极材料的容量以及循环寿命。

进一步地，作为上述实施例的优选，步骤S21还可以包括：

S211：对引入缺陷的所述石墨烯结构(参见图2)进行性质计算，并获得所述引入缺陷的石墨烯结构的第一态密度(partial density of states,PDOS)数据文件；

其中，有缺陷的石墨烯的局部态密度如图3所示。

S212：基于单个锂原子吸附在所述引入缺陷的石墨烯结构的构型，搭建多个锂原子吸附在所述引入缺陷的石墨烯结构的构型；

S213：对所述多个锂原子吸附在所述引入缺陷的石墨烯结构的构型进行性质计算，以获得此条件下第二态密度数据文件；

S214：根据所述多个锂原子吸附在所述引入缺陷的石墨烯结构的构型进行热力学分析，并计算脱附反应的吉布斯自由能；

S215：根据所述第一态密度数据文件和所述第二态密度数据文件分析计算所述引入缺陷的石墨烯结构作为所述锂离子电池的负极材料的比容量和电极电势；

S216：分别根据所述比容量和所述电极电势与比容量阈值和电极电势阈值的比较结果，评估所述锂离子电池的负极材料的性能。

进一步地，作为上述实施例的优选，步骤S211之前，该方法还可以包括：

确定所述锂离子电池的负极材料的微观结构的计算参数；以及，根据确定的所述计算参数对所述锂离子电池的负极材料的微观结构进行模型优化和能量计算；

其中，所述计算参数可以包括所述锂离子电池的负极材料的微观结构的能量、梯度、位移和自洽场的收敛标准。

具体地，确定计算的参数，模型优化和能量计算时电子交换能采用广义梯度近似(GGA)和密度泛函(PBE)相结合的方法，赝势近似采用有效核电势，并采用双数值型机组加极化函数(DNP)展开。计算精度选取fine,计算步长设为1000步。其中能量、梯度、位移和自洽场的收敛标准分别为1×10^-5Hartree,1×10^-6Hartree；计算电子性质时，k点设置为12×12×1。

其中，所述k点用于定义布里渊区取样的准确性。

进一步地，作为上述实施例的优选，该方法还可以包括：

对所述引入缺陷的石墨烯结构进行优化处理，以得到引入缺陷的石墨烯结构的稳定构型。

需要说明的是，上述对所述引入缺陷的石墨烯结构进行优化处理可采用现有的优化方法及优化技术，本发明对此不进行限定。

进一步地，作为上述实施例的优选，步骤S3中模拟并计算所述锂离子电池的电极材料在预设极端条件下的热稳定性性能，可以包括：

S31：模拟并计算所述预设极端条件下，所述锂离子电池的电极材料的总反应放热量。

在此基础上，作为上述实施例的优选，步骤S31还可以包括：

S311：计算所述预设极端条件下，所述锂离子电池的电极材料的负极SEI膜的分解反应速率、负极/电解液的分解反应速率、正极/电解液的分解反应速率以及电解液的分解反应速率；

需要说明的是，上述SEI膜是在锂离子电池首次循环时，由于电解液和负极材料在固液相间层面上发生反应所形成的一层膜。

S312：根据所述锂离子电池的电极材料的负极SEI膜的分解反应速率、负极/电解液的分解反应速率、正极/电解液的分解反应速率以及电解液的分解反应速率确定所述锂离子电池的电极材料的总反应放热量。

作为一种可选的实施方式，上述预设极端条件包括绝热环境。

可以理解的是，上述预设极端条件还可以包括诸如热箱、针刺、挤压和外短路等各种滥用条件，本发明对此不进行限定。

下面以一具体的实施例来说明本发明，但不限定本发明的保护范围。本实施例的农田无线传感器网络节点锂离子电池性能测试方法，具体包括以下步骤：

(1)锂离子电池负极材料的设计：

在Materials Studio软件自带结构库中导入石墨的晶胞结构，并切出(111)面，进而搭建石墨烯的3×3晶胞结构。为了提高碳负极材料的电化学性能，我们需要控制碳负极材料的结构和改善材料的微观结构。因此，我们考虑给搭建的石墨烯结构引入缺陷，增加锂插入和脱插的通道，同时也增加锂的存储位置。具体操作是删除其中一个连接着三个六元环的碳原子，得到有缺陷的石墨烯，真空层厚度设为

(2)检测锂离子电池负极材料的容量、循环寿命等性能

(2.1)确定计算的参数，模型优化和能量计算时电子交换能采用广义梯度近似和密度泛函相结合的方法，赝势近似采用有效核电势，并采用双数值型机组加极化函数展开。计算精度选取fine，计算步长设为1000步。其中能量、梯度、位移和自洽场的收敛标准分别为1×10^-5Hartree,1×10^-6Hartree。计算电子性质时，k点设置为12×12×1。

(2.2)对有缺陷的石墨烯的结构数据文件进行优化处理，得到有缺陷的石墨烯的稳定构型见图2(其中1为碳原子)；并对有缺陷的石墨烯的稳定构型进行性质计算，获得有缺陷的的石墨烯的态密度性质数据文件，有缺陷的石墨烯的局部态密度(partial density of states,PDOS)如图3所示(其中C2s为碳原子的2s轨道的态密度，C2p为碳原子的2p轨道的态密度，total为总的态密度)。

(2.3)基于有缺陷的石墨烯的稳定构型搭建单个锂原子所有可能的吸附构型作为初始的结构数据文件。对初始结构进行优化得到单个锂吸附在有缺陷的石墨烯的稳定构型(参见图4，其中1为碳原子，2为锂原子)。并对稳定构型进行性质计算，获得态密度性质数据文件，单个锂吸附在有缺陷的石墨烯的态密度图如图5所示(其中Li 2s为锂原子的2s轨道的态密度)。

(2.4)基于单个锂吸附在有缺陷的石墨烯的稳定构型，搭建多个锂吸附在有缺陷的石墨烯的构型作为初始的结构数据文件，并对初始结构进行优化得到多个锂吸附在有缺陷的石墨烯的稳定构型。并对稳定构型进行性质计算，获得态密度性质数据文件，多个锂吸附在有缺陷的石墨烯的态密度图如图7所示。

(2.5)从多个锂吸附在有缺陷的石墨烯的稳定构型出发进行热力学分析，计算脱附反应的吉布斯自由能。反应的吉布斯自由能ΔG_r(T)可用如下公式进行计算：

E_Tcorr(T)＝E_total+G_total(T) (1)

ΔG_r(T)＝E_Tcorr(T)_Pro-E_Tcorr(T)_Rea (2)

其中E_Tcorr(T)是温度T下的体系中相应物质的能量，E_total是体系的能量，G_total(T)是温度T下的吉布斯自由能，E_Tcorr(T)_Pro是温度T下的体系中生成物的能量，E_Tcorr(T)_Rea是温度T下的体系中反应物的能量。当T＝298K时，体系的ΔG_r<0,计算结果显示脱附反应能在室温下自发进行，表明有缺陷的石墨烯作为锂离子电池的负极材料可以可逆地进行吸锂/脱锂的过程。在插入/脱插过程中，锂的插入和脱插可逆且有缺陷的石墨烯的结构没有发生显著变化，也就是说有缺陷的石墨烯作为锂离子电池的负极材料有良好的循环性能；

(2.6)根据有缺陷的石墨烯和锂吸附在有缺陷的石墨烯得到的结构数据文件，分析计算有缺陷的石墨烯作为锂离子电池的负极材料的比容量和电极电势，锂离子电池负极材料的比容量可以用如下公式进行计算：

C_p＝F/W (3)

其中，F是法拉第常数(96500C/mol)，W是锂吸附在基底材料的相对分子质量，计算的有缺陷的石墨烯的比容量是611mA h g^-1。锂离子电池负极材料的电极电势可以用以下公式计算：

V＝-ΔG/(z·F) (4)

其中z是交换的锂离子的数目，吉布斯自由能ΔG可通过如下公式计算：

ΔG＝ΔE+PΔV-TΔS (5)

其中，ΔE是体系的能量变化量，P是体系的压强，ΔV是体系的体积变化量，T是体系所处的温度，ΔS是体系的熵变。与ΔE相比，其他的几项能量数值可以忽略。因此为简化计算，上述公式可简化为：

ΔG≈ΔE (6)

若能量是以电子伏特的形式存在，电极电势则可以通过下式计算：

V＝-ΔE/n (7)

其中n是分散的锂的数目，计算的电极电势是0.3V。

设定判据当锂离子电池负极材料的比容量C_p大于预设值372mA h g^-1时，优选地，本实施案例选取372mA h g^-1作为C_p判定阈值；当电极电势V小于预设值0.5V时，优选地，本实施方案选取0.5V作为V判定阈值。当且仅当比容量大于372mA h g^-1，电极电势小于0.5V时，说明此负极材料性能良好。

(3)测试锂离子电池的放热行为

绝热环境中的锂离子电池丧失了和外界的热量交换，所有的内部放热量都作用于电池温度上升，通过对这种极端条件下的电池热稳定性的模拟和研究可以更确切地知道电池可能存在的安全隐患。所有电池材料的总反应放热量可以表示为：

$Q\underset{i}{\&Sigma;}{H}_i{\mathrm{\&rho;}}_i{R}_i---\left(8\right)$

其中，H_i为各电池材料的分解反应放热量，ρ_i为各电池材料的密度，R_i为各电池材料的热反应速率，其中的负极SEI膜的分解反应速率可以表示为：

$\frac{\&part;x_{SEI}}{\&part;t}=-R_{SEI}=-A_{SEI}\exp \&lsqb;\frac{-E_{aSEI}}{RT}\&rsqb;x_{SEI}---\left(9\right)$

需要说明的是，绝热就是隔绝、阻止热量的传递、散失、对流，使得某个区域内温度或者热量不受外界影响或者外界不能够影响而保持内部自身稳定或者独立发生变化的过程和作用，这种条件比较极端，也最恶劣，更能反映温度上升的速度。

负极/电解液的分解反应速率表示为：

$\frac{\&part;x_{neg}}{\&part;t}=-R_{neg}=-A_{neg}\exp \&lsqb;\frac{-d_{SEI}}{d_{SEI0}}\&rsqb;\exp \&lsqb;\frac{-E_{aneg}}{RT}\&rsqb;x_{neg}---\left(10\right)$

其中，

$\frac{\&part;d_{SEI}}{\&part;t}=A_{neg}\exp \&lsqb;\frac{-d_{SEI}}{d_{SEI0}}\&rsqb;\exp \&lsqb;\frac{-E_{aneg}}{RT}\&rsqb;x_{neg}---\left(11\right)$

正极/电解液的分解反应速率可以表示为：

$\frac{\&part;x_{pos}}{\&part;t}=R_{pos}=A_{pos}\exp \&lsqb;\frac{-E_{apos}}{RT}\&rsqb;x_{pos}(1-x_{pos})---\left(12\right)$

电解液的分解反应速率可以表示为：

$\frac{\&part;c_{ele}}{\&part;t}=-R_{ele}=-A_{ele}\exp \&lsqb;\frac{-E_{aele}}{RT}\&rsqb;c_{ele}---\left(13\right)$

其中，A_i为各电池材料分解反应的指前因子，E_ai为各电池材料分解反应的反应活化能。

热量的扩散/传递可以表示为：

$Q^{\&prime;}={\mathrm{\&delta;\&rho;}}_i{C}_{pi}\frac{\&part;T}{\&part;t}-\&dtri;(K_i\&dtri;T)---\left(14\right)$

其中，C_pi为各电池材料的比热容，T为温度，t为时间，K_i为导热系数，在锂离子电池的开发过程中，安全设计与评估在预防热失控引起的着火等问题发挥着重要的作用。设定判据若释放的热量Q’>反应放热量Q，电池将会是稳定的状态；若释放的热量Q’<反应放热量Q，且这样的状态保持一段时间，温度就会稳步上升达到一定的阈值410K导致热失控。

可以理解的是，目前商业化的锂离子电池的负极材料是石墨，其比容量(372mA h g^-1)低且存在安全隐患，因此发展高容量和长寿命的新型负极材料成为当务之急。作为锂离子电池的负极材料，无论是传统材料的改性还是新型碳材料的开发，走向产业化是一个需要时间的过程。传统检测锂离子电池的性能需要通过实验制备电极材料，在电池制造公司生产并化成、分容制备电池，采用专业仪器评估性能，工序繁琐，费时费力。本发明实施例通过在分子结构级设计锂离子电池的负极材料并模拟计算其性能，运用分子模拟技术在分子结构级设计能容纳较多锂离子的锂离子电池的负极材料并评估其性能，不需进行实际试验，计算快速、操作简单、减少了繁重的实验工作量和人为误差。

锂离子电池具有较高的能量密度，在充放电过程中，伴随着多种电化学反应和物质传输过程，有些反应在开路的情况下仍然进行，这些过程会造成热量的产生。如果这些产生的能量不能完全散失到环境中就会引起电池内部热量的积累。如果热量的积累达到电池内部的高温点，有可能引发电池的热失控。通常热行为通过量热仪等设备检测和评估，然而，实验要耗费大量的时间和资金，并且实验很难确定电池处在高温下，电池内部电极材料进行化学反应的全过程。本发明实施例通过模拟并计算锂离子电池的放热行为，评估其安全性能，方法简单、快捷，既可以帮助电池设计者在电池设计初期针对客户的要求，选择合适的负极活性材料，又减少了通过制作实效电池并进行电池性能测试来选择的繁琐工序，避免了大量资源和时间的浪费，加速了电池的研发周期，快速应对市场反馈信息。

与传统的实验方法相比，本发明方法具有明显的优点：任意材料稳定存在的电池负极材料的性能均可计算，解决了实验中无法完成的难题；实验材料只要存在稳定结构，就可以通过计算机模型得到它的构型，避免了在实验中找不到实验原料的问题；计算快速、操作简单、减少了繁重的实验工作量；设备要求低，在普通的电脑上即可进行计算，不需要购买大量的实验设备，节省实验成本；计算结果准确，相对误差小。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。