[发明专利]锂离子电池阴极材料的设计和改性方法有效
申请号: | 201610453538.7 | 申请日: | 2016-06-21 |
公开(公告)号: | CN107273559B | 公开(公告)日: | 2020-05-05 |
发明(设计)人: | 辛见卓;周颖瑜;江英凯;徐业明;何国强 | 申请(专利权)人: | 纳米及先进材料研发院有限公司 |
主分类号: | G06F30/3308 | 分类号: | G06F30/3308;G06F30/367;H01M4/505;H01M4/525;H01M10/0525 |
代理公司: | 北京派特恩知识产权代理有限公司 11270 | 代理人: | 康艳青;姚开丽 |
地址: | 中国香*** | 国省代码: | 香港;81 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 锂离子电池 阴极 材料 设计 改性 方法 | ||
本发明中公开了一种电池电极材料的设计和改性方法。方法包括构建用于电池电极材料属性评估和筛选的第一性原理模型。方法还包括将第一性原理模型应用于电极材料的结构和成分改性。在一些实施方式中,方法包括利用计算和实验参数建立混合物理模型以预测电池单元循环行为。所述方法和模拟模型的优点在于:对于电池电极材料及其具有小的成分或结构变化的衍生物,同时考虑其原子结构和电池的物理结构。因此,可以改善针对具体应用需求的电池材料设计和改性的耗时和准确性。
技术领域
本发明涉及用于电池单元的电极材料的设计和改性。更具体地,本发明提供了一种通过计算机辅助的模拟方法开发并改善锂离子电池在特定应用中的性能特征的方法。
背景技术
在过去的几个世纪中,离子锂电池(LIB)由于其优越的能量密度、长寿命和放电能力,已经被广泛地用在各种应用中,尤其是消费型电子产品中。自从最初的LIB于1991年被SONY研发出以来,市场就见证了极大的增长。
锂离子电池一般包括阳极、电解质和阴极,阴极包含锂过渡金属氧化物(例如,LiCoO2、LiNiO2和LiMn2O4)形式的锂。当前,锂离子电池多半利用金属氧化物作为阴极材料,其中LiCoO2是最受欢迎和商业上成功的代表。然而,除了钴的毒性和高材料成本之外,由于这种阴极材料的固有材料属性,LIB性能的进一步增强也受到了限制。LiNiO2的特点是其高达180mAh/g的高比容量。但是由于合成的困难和潜在热失控反应的安全考虑,其应用仅限于实验研究。LiMn2O4由于其高稳定性和低成本的优点已经被视为具有前景的阴极。然而,其特别是在高温下的低充电容量和较差的循环性能将这种材料的应用限制于小型电动电池。
在近年,多元素锂过渡金属氧化物Li[NixMnyCo1-x-yO2]O2(LNMC)和xLi2MnO3·(1-x)Li[NixMnyCo1-x-y]O2或称为“富锂层状氧化物(Lithium-rich layered oxide)”(LLO)已经被提出以取代现有的电池阴极。LNMC三元锂金属氧化物将利用每个组份材料的优点,并且甚至可能在整体性能上占优势,所以LLO具有提供比现有的阴极材料要高得多的高达约300mAh/g的比容量的潜力。然而,在多过渡金属氧化物阴极材料中仍然存在一些有待改善的缺点,举例来说,对于LNMC,与相变和热稳定性相关的安全问题;以及对于LLO,较大的不可逆的第一次循环容量衰减,和在反复充电和放电循环之后,容量的快速衰减。因此,现有的单结构的阴极显然不能给各种应用要求提供“完美”性能。研究者正在开发新的阴极材料或对现有的结构进行改性或定制,从而适应具体应用的需要。
常规的电池设计一般通过经验方法来执行。设计者提出电池设计的规范,相应地在小的研发环境中制作电池,并测试电池的性能。反复进行这个过程以逐渐地改善电池性能。另外,对于一个应用确定出的最优化设计不适用于其他应用。换言之,对于不同应用,需要重复整个这种经验的、反复的、高成本并且耗时的设计过程。当前主要在学术团体和能源实验室部门中进行极大的努力,以使用基于计算机的计算方法来为电池产业加速寻找新的和更好的材料。大量计算工作的主要主题是与实验研究协同作用。在文献中,已经使用密度泛函理论(DFT)来预测电池电压改变和电池充电/放电行为。
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