一种三元正极材料组分优化方法与流程

本发明涉及锂离子电池正极材料领域，具体涉及一种三元正极材料组分优化方法。

背景技术：

正极材料作为锂离子电池的重要组成部分，其物理化学特性很大程度决定了锂离子电池的能量密度和功率密度。随着对锂离子电池性能要求不断提高，开发高性能锂离子电池正极材料变得尤为重要。

三元linixcoymnzo2(x+y+z＝1)正极材料很好的利用了传统一元正极材料licoo2、linio2和limno2之间的协同效应，兼具比容量高、循环稳定性好、安全、环保等优势，是目前研究的重点。在linixcoymnzo2正极材料中，其性能主要由过渡金属离子的电化学特性所决定的。通常认为，ni具有较高的电化学活性，能够可逆的参与氧化还原反应，贡献材料的大部分容量，但镍含量过高会影响材料的循环性能、热稳定性和安全性；mn具有电化学惰性且mn-o键具有较大的健强，有利于结构稳定性，但mn含量增加会以牺牲材料的容量为代价；co具有高的电子电导率可以有效的提升材料的倍率性能，但co成本昂贵会增加材料的成本。因此，通过优化ni-co-mn组分的比例是提升材料的电化学性能一条有效途径。

在优化实验中，正交设计法、均匀设计法等是最为常见方法，但它们存在以下弊端：受因素数的影响，随因素数的增加试验次数大量增加；同时随着因变量的增加实验的复杂性也会急剧增加。因此，现有的优化方法已不能满足对三元正极材料组分这种“多因变量-多自变量”体系的优化需求，开发一种针对三元正极材料组分优化的方法十分必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于开发一种三元正极材料组分优化方法，以提升优化的效率、减小优化过程的复杂性。

本发明提供了一种三元正极材料组分优化方法，包括步骤如下：

s1、预设四组不同组分含量的三元材料；

s2、运用敏感度分析选取代表性的性能评价指标；

s3、根据选取的性能指标运用归一化方法给预设的四组三元材料评分；

s4、根据四组三元材料评分，运用单纯形变化获得一组尝试性的三元材料，并获得相应性能指标评分；

s5、根据尝试性的三元材料评分，获得优化系数α；

s6、根据优化系数α进行单纯形变化，获得新的一组三元材料，获得性能指标评分；

s7、若新的一组三元材料性能评分符合预期，则该三元材料为目标组分材料；否则将其取代预设四组材料中评分最低的材料构成新的四组材料，进入步骤s3进行优化循环。

进一步的，在步骤s2中性能评价指标可以是阻抗、充放电效率、容量、倍率性能、循环性能中的至少一种。

进一步的，在步骤s2中性能评价指标依据性能的敏感度来获取，比较相同组分变化范围内性能的绝对变化率，选取绝对变化率大的性能作为评价指标。

进一步的，在步骤s3中性能指标评分根据归一化方法进行，其性能最优的组分材料分值为100分，其他组分材料分值则为所占最优性能的百分比。

进一步的，在步骤s4中单纯形变化依据单纯形法变化公式。

进一步的，在于步骤s5中优化系数α的选择。

优选的，在步骤s5中优化系数α的选择为，设新一组组份材料的评分为r，预设四组三元材料中lmax为评分最大值、lmin为评分最小值、lmin+1为评分次低值；

(1)若r>lmax，选取1.0<α<2；

(2)若r<lmin，选取-1<α<0；

(3)若lmin+1>r>lmin，选取0<α<1.0；

(4)若lmax>r>lmin+1，选取α＝1.0。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供的优化方法对因变量进行敏感度分析，确定最具代表性的性能评价指标，并且运用评价指标归一化方法对不同组分材料进行评分，有效减少优化过程的复杂性；该优化方法属于非线性优化，根据试验点的评分确定优化方向，有效的降低试验次数。

附图说明

图1是本发明提供的组分优化方法的流程图；

图2是不同组分材料的倍率性能；

图3是不同组分材料的循环性能。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

以优化lini0.5+xco0.2+ymn0.3+zo2(x+y+z＝0)材料的组分为例，对本发明提供的组分优化方法进行说明。

1.预设四组不同组分含量的三元材料

运用三因素表构建初始单纯形，见表1；以合成0.1mol的lini0.5co0.2m0.3o2的所需的过渡金属乙酸盐原料质量为初始点，即(mniac,mcoac，mmnac)＝(12.442,4.9816,7.3528)，步长设为0.4；每个坐标点代表一特定组分的三元正极材料，预设四组不同组分含量三元材料由公式(1)计算：

v＝(12.442+0.4x,4.9816+0.4y,7.3528+0.4z)(1)

这里x，y和z分别代表三个因素的指前系数；

根据公式(1)计算出的四组三元材料的三维坐标分别为：a(12.8,5.7816,8.5528)，b(13.242,6.1816,7.3528)，c(13.642,4.9816,8.1528)，d(14.042,6.5816,8.9528)。

表1：三因素表

2.选取代表性能的评价指标

容量、倍率性能、循环性能是三元正极材料最为常见的电化学性质，它们在三元材料组分变化时也会发生相应的变化；为减小组分优化过程中因变量变化的复杂性，运用敏感度分析从中选取最代表性的性能评价指标，敏感度由公式(2)所得：

s＝δv/v(2)

这里δv为评价指标的最大变化值，v为代表着评价指标平均值；

计算得容量、倍率、循环性能的s分别为1.67％、3.74％、9.21％；很显然，评价指标的敏感度从高到低依次是：循环性能>倍率>容量；因此选取循环性能与倍率性能作为此次组分优化过程中的评价指标。

3.计算各组分材料的评分

优化过程中，优化的方向是由各个不同组分材料的评分来决定的；材料性能的评分为评价指标的评分值之和，评价指标评分值采用归一化方法得到；通过敏感度分析，倍率性能、循环性能作为评价指标，倍率为0.5c下四次充放电循环的平均放电比容量、循环性能为0.5c下50次循环后的容量保持率；试验点的各评价指标评分可由公式(3)计算获得：

es＝100p/pm(3)

这里p代表评价指标的响应值，pm代表改评价指标的最大响应值；

材料性能的评分为倍率、循环性能评分之和；

各组分材料评分如表2所示，某一组分材料的评分越高，这意味着该组分材料的综合性能最优。

表2：各不同组分材料的评价指标响应值

4.获得尝试性组分材料

在预设的四组不同组分材料中，性能评分最低的一组材料称为坏点应该被淘汰；新组分材料由公式(4)计算可得：

vn＝(1+α)vs/n-αvb(4)

这里vs为除去坏点剩余各个组分材料坐标之和，vb为坏点的坐标，n为因素数，α是优化系数。

5.α值的选择

优化系数α的是获得最优组分三元正极材料的关键因素。设新组分材料的评分为r，预设四组三元材料中lmax为评分最大值、lmin为评分最小值、lmin+1为评分次低值。

(1)若新试验点的评分r>lmax，选取α＝1.5；

(2)若r<lmin，选取α＝-0.5；

(3)若lmin+1>r>lmin，选取α＝0.5；

(4)若lmax>r>lmin+1，选取α＝1.0

如附图2、附图3所示，为了在有限的迭代次数内验证该方法的可行性，我们认为，新组分材料评分r比参考样h的普通lini0.5co0.2mn0.3o2材料性能评分增加3％，即可满足了组分优化的需要；也就是说相比于lini0.5co0.2mn0.3o2材料，最优组分材料的综合性能提升了3％，我们就可以输出结果，否则进入“优化循环”持续进行优化；经过三次优化循环，分别选取优化系数α为1.0、1.0、-0.5，获得三组不同组分三元材料为实验样例e的lini0.52co0.19mn0.29o2、实验样例f的lini0.52co0.17mn0.31o2、实验样例g的lini0.493co0.214mn0.293o2；lini0.493co0.214mn0.293o2材料无论是倍率性能还是循环性能都得到了显著的提升，综合性能提升达3.53％，故实验样例glini0.493co0.214mn0.293o2可作为较优组分材料，输出结果、结束优化。