基于蒙特卡洛的锂枝晶生长模拟方法及系统

本申请涉及锂离子电池模拟分析，具体涉及一种基于蒙特卡洛的锂枝晶生长模拟方法及系统。

背景技术：

1、锂离子电池(lithium ion batteries，libs)是最重要的储能系统，因其高比能和功率密度在提高电动汽车性能方面发挥着重要作用。然而，libs在其使用寿命中仍然存在多种老化机制，如锂电镀、电极材料的机械破碎、阴极过渡金属的溶解和固体电解质间相(sei)膜的生长等。

2、其中，金属锂在石墨阳极表面的沉积是最严重的老化过程之一，它发生在一定的操作条件下，如充电过程中的高充电电流、高荷电状态和低温。在充电过程中，不均匀的成分和形貌会导致锂原子倾向于以锂枝晶的形式沉积于阳极表面，该现象会降低电化学活性锂的含量；在放电过程中，锂枝晶会发生不均匀溶解，进而产生孤立的锂。此外，锂枝晶与电解质的持续反应会使sei膜变厚，造成不可逆的容量损失和内阻增大。锂枝晶的生长可以穿透隔膜，造成内部短路和灾难性故障。因此，对li沉积/溶解行为的模式或机制及其相互关系有着深刻的认识，才能有效避免上述安全事故的发生。

技术实现思路

1、本申请提供一种基于蒙特卡洛的锂枝晶生长模拟方法及系统，可以解决现有技术中存在的li沉积/溶解行为的模式或机制分析技术问题。

2、第一方面，本申请提供了一种基于蒙特卡洛的锂枝晶生长模拟方法，包括以下步骤：

3、构建锂枝晶生长模拟分析模型，所述锂枝晶生长模拟分析模型包括模拟分析图模型和模拟分析数值模型；

4、基于构建的锂枝晶生长模拟分析数值模型，计算获取每个锂离子的各向迁移率；

5、根据获取的每个锂离子的各向迁移率，计算获取每个锂离子的方向迁移比例；

6、生成第一随机数、第二随机数和第三随机数；

7、比对获取的锂离子的方向迁移比例和第一随机数、第二随机数以及第三随机数，获取比对结果；

8、根据获取的比对结果，结合模拟分析图模型，获取锂枝晶在原子尺度上的演化轨迹。

9、结合第一方面，在一种实施方式中，所述构建锂枝晶生长模拟分析模型中，基于以下假设建模：

10、假设一：忽略该模型电解质空间中除li+/li外的其他原子/分子。

11、假设二：假设锂嵌入石墨阳极以及锂离子吸收还原为金属锂的两个过程的速度均超过速度阈值。

12、假设三：除非锂离子嵌入石墨阳极，否则镀层的形貌是不变的。

13、假设四：忽略阳极表面sei膜的存在和形成。

14、结合第一方面，在一种实施方式中，所述构建锂枝晶生长模拟分析模型，所述锂枝晶生长模拟分析模型包括模拟分析图模型和模拟分析数值模型包括：

15、确定锂枝晶生长模拟分析模型的建模空间尺度，基于确定的建模空间尺度构建模拟分析图模型；

16、建立锂离子在电解质中的密度分布矩阵；

17、将密度分布矩阵根据拉普拉斯方程计算获取电位为φ(x，y)时的锂离子密度分布，进而得到电场为e(x，y)时的锂离子密度分布。

18、结合第一方面，在一种实施方式中，所述基于构建的锂枝晶生长模拟分析数值模型，计算获取每个锂离子的各向迁移率包括：

19、获取电解质的电场存无工况；

20、根据获取的电场存无工况，执行不同的锂离子的各向迁移率的计算获取策略。

21、结合第一方面，在一种实施方式中，所述根据获取的比对结果，结合模拟分析图模型，获取锂枝晶在原子尺度上的演化轨迹包括：

22、若锂离子的一随机数满足ri-1<＝ξ<ri，判定该锂离子按照γi-1迁移率及其迁移方向γi-1的迁移方向进行迁移。

23、第二方面，本申请提供了一种基于蒙特卡洛的锂枝晶生长模拟系统，包括：

24、模型构建模块，用于构建锂枝晶生长模拟分析模型，所述锂枝晶生长模拟分析模型包括模拟分析图模型和模拟分析数值模型；

25、迁移率计算模块，用于基于构建的锂枝晶生长模拟分析数值模型，计算获取每个锂离子的各向迁移率；

26、随机数生成模块，用于生成第一随机数、第二随机数和第三随机数；

27、方向迁移比例获取模块，与所述迁移率计算模块通信连接，用于根据获取的每个锂离子的各向迁移率，计算获取每个锂离子的方向迁移比例；

28、比对结果获取模块，与所述随机数获取模块和方向迁移比例获取模块通信连接，用于比对获取的锂离子的方向迁移比例和第一随机数、第二随机数以及第三随机数，获取比对结果；

29、演化轨迹获取模块，与所述比对结果获取模块通信连接，用于根据获取的比对结果，结合模拟分析图模型，获取锂枝晶在原子尺度上的演化轨迹。

30、结合第二方面，在一种实施方式中，所述模型构建模块包括：

31、建模空间尺度确定单元，用于确定锂枝晶生长模拟分析模型的建模空间尺度，基于确定的建模空间尺度构建模拟分析图模型；

32、分布矩阵建立单元，用于建立锂离子在电解质中的密度分布矩阵；

33、密度分布计算获取单元，用于将密度分布矩阵根据拉普拉斯方程计算获取电位为φ(x，y)时的锂离子密度分布，进而得到电场为e(x，y)时的锂离子密度分布。

34、结合第二方面，在一种实施方式中，所述演化轨迹获取模块包括：

35、迁移执行单元，与所述比对结果获取模块通信连接，用于若锂离子的一随机数满足ri-1<＝ξ<ri，判定该锂离子按照γi-1迁移率及其迁移方向γi-1的迁移方向进行迁移。

36、本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

37、本申请提供的基于蒙特卡洛的锂枝晶生长模拟方法，建立了锂枝晶数值和图像模型，用于研究分析锂沉积/溶解行为，分析得出沉积/溶解过程的判断和传导与li+的迁移率和结合/逸出的能垒有关这一结论；

38、本申请提供的模拟分析方法有助于理解锂的沉积/溶解行为，从而推动电池梯级利用的发展。

技术特征：

1.一种基于蒙特卡洛的锂枝晶生长模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的基于蒙特卡洛的锂枝晶生长模拟方法，其特征在于，所述构建锂枝晶生长模拟分析模型中，基于以下假设建模：

3.如权利要求1所述的基于蒙特卡洛的锂枝晶生长模拟方法，其特征在于，所述构建锂枝晶生长模拟分析模型包括：

4.如权利要求1所述的基于蒙特卡洛的锂枝晶生长模拟方法，其特征在于，所述基于构建的锂枝晶生长模拟分析数值模型，计算获取每个锂离子的各向迁移率包括：

5.如权利要求1所述的基于蒙特卡洛的锂枝晶生长模拟方法，其特征在于，所述根据获取的比对结果，结合模拟分析图模型，获取锂枝晶在原子尺度上的演化轨迹包括：

6.一种基于蒙特卡洛的锂枝晶生长模拟系统，其特征在于，包括：

7.如权利要求6所述的基于蒙特卡洛的锂枝晶生长模拟系统，其特征在于，所述模型构建模块包括：

8.如权利要求6所述的基于蒙特卡洛的锂枝晶生长模拟系统，其特征在于，所述演化轨迹获取模块包括：

技术总结
本申请提供了基于蒙特卡洛的锂枝晶生长模拟方法及系统，方法包括以下步骤：构建锂枝晶生长模拟分析模型，锂枝晶生长模拟分析模型包括模拟分析图模型和模拟分析数值模型；基于构建的锂枝晶生长模拟分析数值模型，计算获取每个锂离子的各向迁移率；根据获取的每个锂离子的各向迁移率，计算获取每个锂离子的方向迁移比例；生成第一随机数、第二随机数和第三随机数；比对获取的锂离子的方向迁移比例和第一随机数、第二随机数以及第三随机数，获取比对结果；根据获取的比对结果，结合模拟分析图模型，获取锂枝晶在原子尺度上的演化轨迹。本申请提供通过建立了锂枝晶数值和图像模型，用于研究分析锂沉积/溶解行为，从而推动电池梯级利用的发展。

技术研发人员：李顶根,何佳鹏
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17