电池电极材料中计算机仿真技术的应用

2023-12-09赵琰，严坤

储能科学与技术 2023年10期

赵琰，严坤

（宜春职业技术学院，江西宜春 336000）

近年来，商业化的绿色能源电池得到了广泛应用，对质量更好的电池设备的需求越来越高，钠离子电池和锂硫电池这两种新型的能源电池逐渐引起了研究者的重视。因此，通过计算机仿真技术可以让人们更加直观地认识到电池的特性，为电池材料的优化发展奠定良好的基础。

1 锂离子电池

相较于二次电池，锂离子有以下特点。首先，无记忆效应。锂离子电池与传统的电池相比，并不具备记忆效应，因此，无需放电使用。其次，可长时间存放。由于锂电池自放电量很少，一般每个月放电量几乎不到镍氢电池的1/20。此外，环保高效。由于锂离子电池中不含铅、汞重金属元素，使用时，不会产生污染环境的废物，因此更加环保、绿色、安全。

1.1 锂离子电池电极材料简述

1.1.1 负极材料

一般锂离子电池的负极材料是可嵌锂化物，其具有以下特点：①具有较低的嵌锂电位和较高的与锂发生氧化-还原反应的电压，具有较高的可逆性。②在每单位质量中，能量存储密度更高。③嵌出速率快，扩散阻抗低，具有优异的离子导电及电子导电性能。④对金属箔具有良好的附着力，在烘烤时不会轻易脱落。⑤亲水性好，无需使用NMP，降低了生产费用，提高了产品的稳定性。

1.1.2 正极材料

正极材料作为锂离子电池中一种关键的原材料，是锂离子的主要来源，并且能够直接参与电池中的电化学反应。目前，常用的正极材料包括锂锰氧化物、锂钒氧化物、镍钴氧化物、镍铁氧化物、镍锌氧化物、铁酸镍等。

1.2 锂离子电池中计算机模拟技术的应用

1.2.1 第一性原理

第一性原理是一种利用量子力学的理论方法，仅需5 个基础常量(m0、e、h、c、kB)即可得到该系统的各种物性参数，具有精度高、计算量大等特点。通过第一性原则，可以对锂电池在制备过程中发生的各种温度、压力、物质转变等现象进行数值模拟。同时，还可以对微量的杂质导致的金属脆化现象进行数值模拟，从而实现设计质量提高。而根据第一性原理给出的研究结果，可以为实验人员提供定量的理论依据，解释一些常见的设计优化问题。

1.2.2 分子动力学

分子动力学是一种基于原子尺度的数值模拟技术，可以实现更大尺度的数值模拟，也可以更好地描述和解析锂离子的动力学行为，但由于颗粒的运动遵循牛顿理论，对于氢、氦等重量更小的颗粒，其量子化的效率并不高。

1.2.3 有限元方法

在锂离子电池的计算机模拟中，有限元方法可以用于研究电池的电化学行为、热力学性质以及力学性质等。通过建立力学模型的有限元方程，模拟电池在不同充放电状态下的力学性质，包括电池的变形、振动等，可以对电池的力学性质进行更精确的描述，更好地预测电池的使用性能和安全性等。

2 钠离子电池

钠离子电池是一种新型电池，具有潜在的优势和应用前景，相比于锂离子电池，它具有更低成本、更高安全性和更广泛的适用范围等优点。钠离子电池的工作原理是利用钠离子在正负极之间迁移和嵌入/脱出，实现电能储存和释放。由于钠离子电池不需要使用稀有金属，因此它不受资源限制，同时具有较好的低温性能和较高的安全性能。因钠离子电池允许放电到0 V，丝毫不逊色于磷酸铁锂电池，同时有望以成本优势在大规模储能中替代传统的铅酸电池。

2.1 钠离子电池电极材料

2.1.1 钠离子电池负极材料

实验表明，钠离子电池的负极材料常用金属钠，但同样不可避免会有枝晶问题产生，同时钠的熔点较低，存在着较大的安全隐患，从而不能用于商业。与锂离子电池相同的是，钠离子电池的负极材料通常选用合金或嵌钠性能材料，常用材料有碳基材料、金属氧化物材料、金属或合金材料。

2.1.2 钠离子电池正极材料

相似于锂离子电池，钠离子电池体系中最核心的材料为正极材料，其通常为嵌入型化合物，且需满足下列要求：结构、电子电导率、离子电导率、比容量、氧化还原电位、电化学循环性能等稳定良好。通常钠离子正极材料包含聚阴离子型化合物和过渡金属氧化物。

2.2 钠离子电池中计算机模拟技术的应用

相比于锂离子电池较为成熟的体系来说，钠离子电池仍旧处于科研阶段，未能大量投入生产。通过使用计算机模拟技术能够明确了解充放电过程中钠离子电池的化学反应、质量转移、电荷转移等过程。此外，从微观层面上，认识电极材料的物性与结构关系，为电池的性能优化与革新提供理论基础。

3 锂硫电池

锂硫电池是锂电池的一种，以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极。锂硫电池具有很多优点，例如比能量高、成本低、环境友好等，因此具有极大的发展潜力。但是，锂硫电池的关键问题是多硫化物的“穿梭”效应，该效应导致活性物质从阴极逐渐泄漏，从而导致电池寿命降低。作为一种新型的高能量密度、高安全性的电池技术，锂硫电池能够成为新能源汽车的重要能量来源。