三元材料的Li/Ni混排形成能的测定方法、计算机设备、计算机可读存储介质与流程

本申请涉及电池，特别是涉及一种三元材料的li/ni混排形成能的测定方法、计算机设备、计算机可读存储介质。

背景技术：

1、随着锂离子电池性能的持续改善与市场规模的快速发展，市场对锂离子电池也提出了更高的要求与更大的需求，如更好的安全性能、更长的续航、更短的充电时间和更久的使用寿命。为了满足锂离子电池高能量密度的需求，当前镍钴锰三元材料（ncm材料）发展的一大特点是高镍化，因为镍含量越高，三元材料的比容量越大。市场上已经出现了不少ni80系列高镍含量产品，甚至是ni90系列及以上高镍含量产品。但是高镍ncm材料所面临的问题也非常显著，即面临较严重的结构不稳定性问题，特别是在充电过程的脱锂状态下，正极材料结构不稳定会造成电池容量快速衰减、电池寿命缩短甚至是电池起火等问题。

2、li/ni混排与三元材料的结构稳定性和电化学性能密切相关，且在三元材料的合成过程中和循环过程中不可避免的产生，且高镍化会导致li/ni混排的问题愈发严重。li/ni混排的原因是li+(0.76å)与ni2+(0.69å)的半径较为接近，从而热力学上更倾向无序排列，占据在li层的ni2+，在循环中被氧化成ni3+(0.56å)，半径大幅减小，从而会引起局部结构不可逆坍塌，使得周边部分li+无法正常循环，因此li/ni混排会导致三元材料的容量损失以及破坏结构稳定性，而且过度的li/ni混排会极度恶化三元材料的电化学性能。

3、掺杂是目前较为高效且易于工业化生产的主要改性正极材料的方式，因此可以通过掺杂的方式对三元材料中的li/ni混排进行调整，但是掺杂元素种类众多，如何高效快速的筛选出合适的掺杂元素是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本申请提供一种三元材料的li/ni混排形成能的测定方法、计算机设备、计算机可读存储介质，该测定方法基于第一性原理计算，可以测定掺杂原子对三元材料的li/ni混排形成能的影响趋势，为探索高电化学性能的三元材料的改性提供了较好的方向，也为快速筛选出合适的掺杂元素提供了便捷，从而缩短了三元材料的研发周期，提高了研发效率，节约了开发成本。

2、本申请的第一方面，提供一种三元材料的li/ni混排形成能的测定方法，包括如下步骤：

3、对具有r-3m相的linio2晶胞或具有r-3m相的licoo2晶胞进行扩胞，构建初始材料结构模型；

4、将所述初始材料结构模型中的部分li原子和/或部分非li金属原子替换为掺杂原子，部分非li金属原子替换为mn原子以及co原子和ni原子中的一种，获得三元材料结构模型；

5、利用第一性原理计算方法，得到所述三元材料结构模型的能量e1；

6、将所述三元材料结构模型中的一个或多个li原子与相同数量的ni原子交换，获得混排后的三元材料结构模型；

7、利用第一性原理计算方法，得到所述混排后的三元材料结构模型的能量e2；

8、计算所述e2与所述e1的差值，得到所述三元材料的li/ni混排形成能。

9、在一些实施方式中，在对具有r-3m相的linio2晶胞或具有r-3m相的licoo2晶胞进行扩胞的步骤中，按照a×b×c的方式对所述晶胞进行扩胞，a≥3，b≥3，1≤c≤3，a、b、c均为整数。

10、在一些实施方式中，3≤a≤6，3≤b≤6。

11、在一些实施方式中，在将所述初始材料结构模型中的部分li原子和/或部分非li金属原子替换为所述掺杂原子，部分非li金属原子替换为mn原子以及co原子和ni原子中的一种的步骤中，各原子的替换量为：

12、使所述三元材料结构模型中的ni原子、co原子、mn原子、所述掺杂原子和其中非li金属原子的摩尔比值与所述三元材料中对应的ni原子、co原子、mn原子、所述掺杂原子和其中非li金属原子的摩尔比值的差值的绝对值各自独立地为0~0.1。

13、在一些实施方式中，在将所述初始材料结构模型中的部分li原子和/或部分非li金属原子替换为掺杂原子，部分非li金属原子替换为mn原子以及co原子和ni原子中的一种的步骤之后，还包括：将调整后的初始材料结构模型进行结构优化；和/或，

14、在将所述三元材料结构模型中的一个或多个li原子与相同数量的ni原子交换的步骤之后，还包括：将调整后的三元材料结构模型进行结构优化。

15、在一些实施方式中，所述掺杂原子包括sn、nb、y、w、sb、sr和mg中的一种或多种。

16、在一些实施方式中，所述三元材料结构模型的能量e1和/或所述混排后的三元材料结构模型的能量e2通过vasp软件计算得到。

17、在一些实施方式中，所述三元材料包括通式为li1-xm1xni1-y-z-tm2ycozmnto2的材料，其中，m1包括y、sr和mg中的一种或多种，m2包括sn、nb、w和sb中的一种或多种，0≤x+y＜0.04，x≥0，y≥0，z＞0，t＞0。

18、在一些实施方式中，1-y-z-t≥0.6。

19、在一些实施方式中，在计算所述e2与所述e1的差值，得到所述三元材料的li/ni混排形成能的步骤之后，还包括：筛选所述三元材料的li/ni混排形成能为0.25ev~0.35ev所对应的所述三元材料结构模型。

20、本申请的第二方面，提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本申请第一方面所述的测定方法的步骤。

21、本申请的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本申请第一方面所述的测定方法的步骤。

22、与传统技术相比，上述三元材料的li/ni混排形成能的测定方法、计算机设备、计算机可读存储介质至少具有如下优势：

23、上述测定方法基于第一性原理计算，可以得到掺杂不同元素的三元材料的li/ni混排形成能，快速判断掺杂原子对三元材料的li/ni混排形成能的影响趋势，从而能够有目的性的去调控三元材料中的li/ni混排比例，使得研发实验更有方向性和目的性，为探索高电化学性能的三元材料的改性提供了较好的方向，也为快速筛选出合适的掺杂元素提供了便捷，进而缩短了三元材料的研发周期，提高了研发效率，节约了开发成本。

技术特征：

1.一种三元材料的li/ni混排形成能的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，在对具有r-3m相的linio2晶胞或具有r-3m相的licoo2晶胞进行扩胞的步骤中，按照a×b×c的方式对所述晶胞进行扩胞，a≥3，b≥3，1≤c≤3，a、b、c均为整数；

3.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，在将所述初始材料结构模型中的部分li原子和/或部分非li金属原子替换为所述掺杂原子，部分非li金属原子替换为mn原子以及co原子和ni原子中的一种的步骤中，各原子的替换量为：

4.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，在将所述初始材料结构模型中的部分li原子和/或部分非li金属原子替换为掺杂原子，部分非li金属原子替换为mn原子以及co原子和ni原子中的一种的步骤之后，还包括：将调整后的初始材料结构模型进行结构优化；和/或，

5.根据权利要求1至4任一项所述的测定方法，其特征在于，所述掺杂原子包括sn、nb、y、w、sb、sr和mg中的一种或多种。

6.根据权利要求1至4任一项所述的测定方法，其特征在于，所述三元材料结构模型的能量e1和/或所述混排后的三元材料结构模型的能量e2通过vasp软件计算得到。

7.根据权利要求1至4任一项所述的测定方法，其特征在于，所述三元材料包括通式为li1-xm1xni1-y-z-tm2ycozmnto2的材料，其中，m1包括y、sr和mg的一种或多种，m2包括sn、nb、w和sb中的一种或多种，0≤x+y＜0.04，x≥0，y≥0，z＞0，t＞0；

8.根据权利要求1至4任一项所述的测定方法，其特征在于，在计算所述e2与所述e1的差值，得到所述三元材料的li/ni混排形成能的步骤之后，还包括：筛选所述三元材料的li/ni混排形成能为0.25ev~0.35ev所对应的所述三元材料结构模型。

9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8任一项所述的测定方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8任一项所述的测定方法的步骤。

技术总结
本申请涉及一种三元材料的Li/Ni混排形成能的测定方法、计算机设备、计算机可读存储介质，该测定方法包括如下步骤：对具有R‑3m相的LiNiO<subgt;2</subgt;晶胞或具有R‑3m相的LiCoO<subgt;2</subgt;晶胞进行扩胞，构建初始材料结构模型；将初始材料结构模型中的部分Li原子和/或部分非Li金属原子替换为掺杂原子，部分非Li金属原子替换为Mn原子以及Co原子和Ni原子中的一种，获得三元材料结构模型；利用第一性原理计算方法，得到三元材料结构模型的能量E1；将三元材料结构模型中的一个或多个Li原子与相同数量的Ni原子交换，获得混排后的三元材料结构模型；利用第一性原理计算方法，得到混排后的三元材料结构模型的能量E2；计算E2与E1的差值，得到三元材料的Li/Ni混排形成能。

技术研发人员：洪盼,秦孙德禄,王双轮,杨昭昭,彭祥凤,宋英杰,高俊奎
受保护的技术使用者：天津巴莫科技有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16