[发明专利]锂离子电池阴极材料的设计和改性方法

权利要求书

1.一种用于电池装置的电极材料的设计和改性方法，所述方法包括组合了原子级模型和电池级模型的混合模型，并且包括下列步骤：

1)针对电极材料的关于其成分和晶格结构的基本结构，基于第一原理密度泛函理论或分子动力学，构建原子级模型；

2)计算选自由以下参数构成的群组的一系列参数：至少一个晶格常数、锂层厚度、系统形成能差、晶格中的锂离子迁移能、锂离子扩散路径、晶格中的锂离子扩散率、锂离子电导率和比热容；

3)将通过原子级模型计算的参数与包括结构稳定性、电压、容量、倍率性能和/或循环性能的电池性能关联；

4)针对潜在的电池应用，基于在步骤2)和步骤3)中获得的原子级模型的结果，选择具有一定成分和结构的电极材料；

5)针对选择的电极材料的电池单元，基于具有物理实体的类2维模型或等效电路模型，建立电池级模型；

6)通过模拟和比较通过电池级模型计算的单元充电和放电行为而对电极材料物理参数的重要性排定优先级；

7)根据电池应用需求，在电池级模型中对重要的电极材料物理参数进行优化；

8)基于在步骤6)中选择的电极材料物理参数，在原子级模型中进行成分改性和结构修饰；

9)针对电极材料物理参数和电池性能，在原子级模型中优化所述改性；以及

10)获得最优的电极材料设计，以用于合成在步骤7)和步骤9)中优化的电极材料。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

11)通过材料表征来验证合成的电极材料的物理参数；

12)通过使用合成的电极材料制作电池单元，所述电池单元是半电池单元或者是全电池单元；以及

13)通过测试电池单元的充电/放电行为来验证作为电池电极的合成的电极材料的性能。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，电极材料是阴极材料并且其中所述阴极材料选自由LiCoO2、LiNiO₂、LiNi_xMn_1-xO₂、LiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂、LiV₂O₅、LiTiS₂、LiMoS₂、LiMnO₂、LiCrO₂、LiMn₂O₄、LiFeO₂以及其组合构成的群组，其中每个x独立地为0.1至0.6；每个y独立地为0至0.8；并且每个z独立地为0至0.6。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤4)的电极材料的选择中，通过锂层厚度评估电池充电/放电库伦效率，通过晶格常数、晶格体积以及嵌锂和脱锂时系统能量的变化评估电池材料的结构稳定性，并且通过锂离子迁移能和锂离子扩散率来评估电池容量。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，电池级模型至少包括电池阴极、电池阳极、电池电解质、隔膜和电池封装，其中从原子级模型或从合成的电极材料的测试结果获得的电极材料物理参数选自由以下构成的群组：电极成分、电极活性材料中的锂离子和位点浓度、电极材料颗粒大小、电极材料封装密度、电极材料中的锂离子扩散率、电解质中的锂离子扩散率、电极材料中的锂离子电导率、电解质中的锂离子电导率和其组合。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤6)和步骤7)的电池级模型中的优化过程的设计包括：

针对电池应用需求，指定锂离子电池的输出参数，所述输出参数包括单元容量和单元电压；

指定在电池级模型中调整并且在材料制备程序中控制的输入参数及其级别；

利用实验设计方法，针对电池级模型的每个组件的输出参数，在指定的设计空间中采样多个设计组合；

进行电池级模型的计算机模拟，以获得用于所有设计组合的输出参数的数据集合；

通过评估电池级模型中计算出的输出参数，识别输入参数的重要性的顺序和最优级别；

如果在上面的优化步骤中未找到最优解决方案，则修正并重复上面的优化步骤。