本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是一种预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法。
背景技术：
锂离子电池由于具有工作电压高、无记忆效应和自放电率低等优点，在便携式电子产品中得到了广泛的应用，并且逐步在电动汽车领域推广。为了提高续航里程，电动汽车对动力电池提出了高能量密度的需求。伴随着能量密度的增加，电池的安全问题凸显，如何提高和优化材料及器件性能是学术界和产业界关注的热点。
传统评价电池材料安全性能的方法是将材料制备成器件，进行针刺、过充、挤压等安全性测试，从而得到电池的安全性能；评价电池器件的方法是直接进行安全性测试。但是，在实际测试过程中存在如下不足：
如针对新型材料评价结果的可靠性和重现性不高。材料技术的快速发展，使很多新结构、新体系、新组分材料用于锂离子电池成为可能。然而，上述材料对器件的制备工艺和环境控制提出了更高要求，运用传统器件制备工艺和制程控制得到的电池，在评价新型材料的安全性能时存在可靠性不好、重现性不高的问题。
如器件制备和测试周期长、成本高。锂离子电池的制备工艺复杂，包括“制浆-涂布-制片-装配-注液-化成”等步骤，其中还涉及多个干燥工序，整个器件制作周期需要十天以上；另外，做过安全性测试的电池，性能已经劣化或者无法正常使用。
如测试过程难以实时反映电池内部电极材料发生的变化。锂离子电池是一个封闭系统，在进行以结果为导向的安全性测试时，内部发生的微观变化难以得到实时的反映。
技术实现要素：
本发明的最主要目的在于提供了一种预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法，具有测试成本低、数据准确性高、安全性强和实时性好的特点。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、采用扫描电镜、激光粒度测试方法获取电极材料的形貌和粒度分布特征，建立材料的物理模型；
步骤2、根据电极材料特点，设计锂离子电池的结构和配套材料体系，建立电池器件的物理模型；
步骤3、在材料的物理模型中应用固相扩散方程描述锂离子在其中的扩散行为，得到材料的第一数理模型，同时在电池器件的物理模型中，在电极、隔膜等各个组分上应用能量守恒、物质守恒、电荷守恒等方程，描述电池工作过程的物理化学反应，得到电池器件的第二数理模型；
步骤4、将第一数理模型和第二数理模型通过参数传递的方式进行耦合，得到第三数理模型；
步骤5、根据安全测试项目的不同，建立各种测试条件下电池产热的第四数理模型；将第三数理模型和第四数理模型进行耦合计算，预测电池材料和器件的安全性能。
进一步地，所述的锂离子电池材料为正极材料和/或负极材料。
进一步地，所述正极材料为镍钴锰三元材料、磷酸铁锂、钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂和/或磷酸锰锂中的一种或两种以上。
进一步地，所述负极材料为人造石墨、天然石墨、中间相碳微球和/或钛酸锂中的一种或两种以上。
进一步地，所述锂离子电池器件外壳为钢壳、铝壳或铝塑。
进一步地，在步骤1中，选取二次颗粒尺寸为中位数的颗粒，在扫描电镜图样上随机选取至少100个点测试，取平均值后获得一次颗粒尺寸；根据实验结果，建立材料的物理模型。
进一步地，在步骤5中，所述第四数理模型为过充的产热模型，所述产热模型测量的是电池充电至不同电压时，内部副反应如电解液分解、电极材料结构变化的产热情况。
进一步地，在步骤5中，将第三数理模型计算得到的电池正常工作的产热量耦合到第四数理模型中，同时将第四数理模型得到的电池平均温度作为第三数理模型的反应温度。
进一步地，步骤4的参数传递方式为：第一模型计算得到的活性材料表面的锂离子浓度作为第二模型中固液界面的锂离子浓度。
本发明预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法具有如下有益的技术效果：
本发明提供一种预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法。通过实验方法得到电池材料形貌，进行抽象之后建立物理模型；并根据材料特点设计锂离子电池器件，同时建立物理模型；随后用数学方程描述电池工作过程中，材料和器件内部发生物理化学反应；最后根据具体的安全测试项目，建立相应的模型，与器件和材料模型进行耦合计算，预测电池材料和器件的安全性能。由于采用“虚拟实验”的方式进行仿真运算，可以有效缩短研究的时间和人力成本，实验重现性好；同时，模型基于化学反应机理，建立在严格理论框架和大量电池数据积累之上，预测的准确性高。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例及对本发明产品作进一步详细的说明。
实施例1
本发明公开了一种预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、采用扫描电镜、激光粒度测试方法获取电极材料的形貌和粒度分布特征，建立材料的物理模型；
步骤2、根据电极材料特点，设计锂离子电池的结构和配套材料体系，建立电池器件的物理模型；
步骤3、在材料的物理模型中应用固相扩散方程描述锂离子在其中的扩散行为，得到材料的第一数理模型，同时在电池器件的物理模型中，在电极、隔膜等各个组分上应用能量守恒、物质守恒、电荷守恒等方程，描述电池工作过程的物理化学反应，得到电池器件的第二数理模型；
步骤4、将第一数理模型和第二数理模型通过参数传递的方式进行耦合，得到第三数理模型；具体的参数传递方式为：第一模型计算得到的活性材料表面的锂离子浓度作为第二模型中固液界面的锂离子浓度。
步骤5、根据安全测试项目的不同，建立各种测试条件下电池产热的第四数理模型；将第三数理模型和第四数理模型进行耦合计算，预测电池材料和器件的安全性能。
在本实施例中，在步骤1中，选取二次颗粒尺寸为中位数的颗粒，在扫描电镜图样上随机选取至少100个点测试，取平均值后获得一次颗粒尺寸；根据实验结果，建立材料的物理模型。在步骤5中，所述第四数理模型为过充的产热模型，所述产热模型测量的是电池充电至不同电压时，内部副反应如电解液分解、电极材料结构变化的产热情况；将第三数理模型计算得到的电池正常工作的产热量耦合到第四数理模型中，同时将第四数理模型得到的电池平均温度作为第三数理模型的反应温度。
在本实施例中，所述的锂离子电池材料为正极材料。所述正极材料为镍钴锰三元材料。所述锂离子电池器件外壳为钢壳。
实施例2
本发明公开了一种预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、采用扫描电镜、激光粒度测试方法获取电极材料的形貌和粒度分布特征，建立材料的物理模型；
步骤2、根据电极材料特点，设计锂离子电池的结构和配套材料体系，建立电池器件的物理模型；
步骤3、在材料的物理模型中应用固相扩散方程描述锂离子在其中的扩散行为，得到材料的第一数理模型，同时在电池器件的物理模型中，在电极、隔膜等各个组分上应用能量守恒、物质守恒、电荷守恒等方程，描述电池工作过程的物理化学反应，得到电池器件的第二数理模型；
步骤4、将第一数理模型和第二数理模型通过参数传递的方式进行耦合，得到第三数理模型；具体的参数传递方式为：第一模型计算得到的活性材料表面的锂离子浓度作为第二模型中固液界面的锂离子浓度。
步骤5、根据安全测试项目的不同，建立各种测试条件下电池产热的第四数理模型；将第三数理模型和第四数理模型进行耦合计算，预测电池材料和器件的安全性能。
在本实施例中，在步骤1中，选取二次颗粒尺寸为中位数的颗粒，在扫描电镜图样上随机选取至少100个点测试，取平均值后获得一次颗粒尺寸；根据实验结果，建立材料的物理模型。在步骤5中，所述第四数理模型为短路内部的产热模型，所述产热模型测量的是电池充电至不同电压时，内部副反应如电解液分解、电极材料结构变化的产热情况；将第三数理模型计算得到的电池正常工作的产热量耦合到第四数理模型中，同时将第四数理模型得到的电池平均温度作为第三数理模型的反应温度。
在本实施例中，所述的锂离子电池材料为正极材料。所述正极材料为锰酸锂和磷酸锰锂。所述锂离子电池器件外壳为铝壳。
实施例3
本发明公开了一种预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、采用扫描电镜、激光粒度测试方法获取电极材料的形貌和粒度分布特征，建立材料的物理模型；
步骤2、根据电极材料特点，设计锂离子电池的结构和配套材料体系，建立电池器件的物理模型；
步骤3、在材料的物理模型中应用固相扩散方程描述锂离子在其中的扩散行为，得到材料的第一数理模型，同时在电池器件的物理模型中，在电极、隔膜等各个组分上应用能量守恒、物质守恒、电荷守恒等方程，描述电池工作过程的物理化学反应，得到电池器件的第二数理模型；
步骤4、将第一数理模型和第二数理模型通过参数传递的方式进行耦合，得到第三数理模型；具体的参数传递方式为：第一模型计算得到的活性材料表面的锂离子浓度作为第二模型中固液界面的锂离子浓度。
步骤5、根据安全测试项目的不同，建立各种测试条件下电池产热的第四数理模型；将第三数理模型和第四数理模型进行耦合计算，预测电池材料和器件的安全性能。
在本实施例中，在步骤1中，选取二次颗粒尺寸为中位数的颗粒，在扫描电镜图样上随机选取至少100个点测试，取平均值后获得一次颗粒尺寸；根据实验结果，建立材料的物理模型。在步骤5中，所述第四数理模型为过充的产热模型，所述产热模型测量的是电池充电至不同电压时，内部副反应如电解液分解、电极材料结构变化的产热情况；将第三数理模型计算得到的电池正常工作的产热量耦合到第四数理模型中，同时将第四数理模型得到的电池平均温度作为第三数理模型的反应温度。
在本实施例中，所述的锂离子电池材料为负极材料。所述负极材料为人造石墨。所述锂离子电池器件外壳为铝塑。
实施例4
本发明公开了一种预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、采用扫描电镜、激光粒度测试方法获取电极材料的形貌和粒度分布特征，建立材料的物理模型；
步骤2、根据电极材料特点，设计锂离子电池的结构和配套材料体系，建立电池器件的物理模型；
步骤3、在材料的物理模型中应用固相扩散方程描述锂离子在其中的扩散行为，得到材料的第一数理模型，同时在电池器件的物理模型中，在电极、隔膜等各个组分上应用能量守恒、物质守恒、电荷守恒等方程，描述电池工作过程的物理化学反应，得到电池器件的第二数理模型；
步骤4、将第一数理模型和第二数理模型通过参数传递的方式进行耦合，得到第三数理模型；具体的参数传递方式为：第一模型计算得到的活性材料表面的锂离子浓度作为第二模型中固液界面的锂离子浓度。
步骤5、根据安全测试项目的不同，建立各种测试条件下电池产热的第四数理模型；将第三数理模型和第四数理模型进行耦合计算，预测电池材料和器件的安全性能。
在本实施例中，在步骤1中，选取二次颗粒尺寸为中位数的颗粒，在扫描电镜图样上随机选取至少100个点测试，取平均值后获得一次颗粒尺寸；根据实验结果，建立材料的物理模型。在步骤5中，所述第四数理模型为电池挤压测试的产热模型，所述产热模型测量的是电池充电至不同电压时，内部副反应如电解液分解、电极材料结构变化的产热情况；将第三数理模型计算得到的电池正常工作的产热量耦合到第四数理模型中，同时将第四数理模型得到的电池平均温度作为第三数理模型的反应温度。
在本实施例中，所述的锂离子电池材料为负极材料。所述负极材料为中间相碳微球和钛酸锂。所述锂离子电池器件外壳为钢壳。
实施例5
本发明公开了一种预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、采用扫描电镜、激光粒度测试方法获取电极材料的形貌和粒度分布特征，建立材料的物理模型；
步骤2、根据电极材料特点，设计锂离子电池的结构和配套材料体系，建立电池器件的物理模型；
步骤3、在材料的物理模型中应用固相扩散方程描述锂离子在其中的扩散行为，得到材料的第一数理模型，同时在电池器件的物理模型中，在电极、隔膜等各个组分上应用能量守恒、物质守恒、电荷守恒等方程，描述电池工作过程的物理化学反应，得到电池器件的第二数理模型；
步骤4、将第一数理模型和第二数理模型通过参数传递的方式进行耦合，得到第三数理模型；具体的参数传递方式为：第一模型计算得到的活性材料表面的锂离子浓度作为第二模型中固液界面的锂离子浓度。
步骤5、根据安全测试项目的不同，建立各种测试条件下电池产热的第四数理模型；将第三数理模型和第四数理模型进行耦合计算，预测电池材料和器件的安全性能。
在本实施例中，在步骤1中，选取二次颗粒尺寸为中位数的颗粒，在扫描电镜图样上随机选取至少100个点测试，取平均值后获得一次颗粒尺寸；根据实验结果，建立材料的物理模型。在步骤5中，所述第四数理模型为过充的产热模型，所述产热模型测量的是电池充电至不同电压时，内部副反应如电解液分解、电极材料结构变化的产热情况；将第三数理模型计算得到的电池正常工作的产热量耦合到第四数理模型中，同时将第四数理模型得到的电池平均温度作为第三数理模型的反应温度。
在本实施例中，所述的锂离子电池材料为正极材料和负极材料。所述正极材料为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂和磷酸锰锂。所述负极材料为中间相碳微球。所述锂离子电池器件外壳为铝壳。
实施例6
本发明公开了一种预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、采用扫描电镜、激光粒度测试方法获取电极材料的形貌和粒度分布特征，建立材料的物理模型；
步骤2、根据电极材料特点，设计锂离子电池的结构和配套材料体系，建立电池器件的物理模型；
步骤3、在材料的物理模型中应用固相扩散方程描述锂离子在其中的扩散行为，得到材料的第一数理模型，同时在电池器件的物理模型中，在电极、隔膜等各个组分上应用能量守恒、物质守恒、电荷守恒等方程，描述电池工作过程的物理化学反应，得到电池器件的第二数理模型；
步骤4、将第一数理模型和第二数理模型通过参数传递的方式进行耦合，得到第三数理模型；具体的参数传递方式为：第一模型计算得到的活性材料表面的锂离子浓度作为第二模型中固液界面的锂离子浓度。
步骤5、根据安全测试项目的不同，建立各种测试条件下电池产热的第四数理模型；将第三数理模型和第四数理模型进行耦合计算，预测电池材料和器件的安全性能。
在本实施例中，在步骤1中，选取二次颗粒尺寸为中位数的颗粒，在扫描电镜图样上随机选取至少100个点测试，取平均值后获得一次颗粒尺寸；根据实验结果，建立材料的物理模型。在步骤5中，所述第四数理模型为针刺的产热模型，所述产热模型测量的是电池充电至不同电压时，内部副反应如电解液分解、电极材料结构变化的产热情况；将第三数理模型计算得到的电池正常工作的产热量耦合到第四数理模型中，同时将第四数理模型得到的电池平均温度作为第三数理模型的反应温度。
在本实施例中，所述的锂离子电池材料为正极材料和负极材料。所述正极材料为钴酸锂。所述负极材料为人造石墨、天然石墨、中间相碳微球和钛酸锂。所述锂离子电池器件外壳为铝塑。
本发明一种预测锂离子电池材料及器件安全性能的仿真方法与现有技术相比较本发明的优点：
1、与实验测试方法相比，本发明可以快速评估材料及其制备成器件后的安全性能，所需的时间成本低(实验方法制成器件需要十天以上的周期，安全测试也需要一定的时间)。
2、模型基于电化学反应机理，建立在严格理论框架和大量电池数据积累之上，预测的准确性高。并且可以实时动态反应工作过程中材料和电池内部发生的变化。（锂离子电池是个封闭系统，传统实验测试方法通过测试结果进行反推，预测内部发生的变化，不能实现实时监控）
3、减少了实验过程的环境控制和人为干扰，重现性和可靠性高。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。