CN117093805A - 复合电极的半电极曲线计算方法、装置和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合电极的半电极曲线计算方法，所述半电极曲线计算方法包括以下步骤：确定活性材料中各活性物质的最大锂离子浓度，各活性物质在活性材料中的质量占比和各活性物质的真密度；分别获取各活性物质的半电极曲线，所述半电极曲线为电压随嵌锂量变化关系曲线；根据活性材料中所有活性物质的半电极曲线，确定交集电压区间和活性物质在交集电压区间内不同电压值对应的活性物质嵌锂量；根据，求解活性材料在交集电压区间内多个电压值对应的混合嵌锂量；根据计算得到的多个电压值和对应的混合嵌锂量，绘制复合电极的半电极曲线。通过用该计算方法，能够快速获取多种物质混合制备而成的活性材料的半电极曲线，有利于推进后续电池仿真工作。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种复合电极的半电极曲线计算方法、装置和存储介质。
背景技术
电活性材料是电子-离子的混合导体，处于完全氧化或还原状态时呈现绝缘体特征，在氧化和还原状态之间转换时能够从溶液中可逆地置入和释放离子(离子交换或充放电过程)成为电导体。
随着科技的发展，人们对于电池性能的要求也不断增加。现有电池中，单一活性物质往往只能满足电池的部分需求。因此，通过多种活性物质混合制备活性材料已成为现有电池研究领域的一个重要方向。
在由多种活性物质混合制备的活性材料中，已知各活性物质的半电极曲线，计算混合后活性材料的半电极曲线是电池仿真计算前的必要工作。现有获取活性材料的半电极曲线主要通过实测方式。如通过扣电测试获取按某比例混合后的活性材料的嵌锂量和电压的关系。该过程操作复杂，测试成本高，效率低，严重影响后续电池仿真工作的进展。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了一种复合电极的半电极曲线计算方法、装置和存储介质，通过使用该计算方法，能够快速获取多种物质混合制备而成的活性材料的半电极曲线，该过程避免了进行实验测试，降低了计算成本，提高了效率，有利于推进后续电池仿真工作。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
第一方面，一种复合电极的半电极曲线计算方法，所述复合电极中的活性材料由至少两种活性物质组成，所述半电极曲线计算方法包括以下步骤：
确定活性材料中各活性物质的最大锂离子浓度,单位为mol/m3，各活性物质在活性材料中的质量占比/>，为常数值，各活性物质的真密度/>，单位为g/cm3；
分别获取各活性物质的半电极曲线，所述半电极曲线为电压随嵌锂量变化关系曲线；
根据活性材料中所有活性物质的半电极曲线，确定交集电压区间和活性物质在交集电压区间/>内不同电压值对应的活性物质嵌锂量/>；
根据，求解活性材料在交集电压区间/>内多个电压值对应的混合嵌锂量；其中，/>为活性材料的混合嵌锂量，/>为电压值，/>为交集电压区间中最小电压值，/>为交集电压区间中最大电压值，/>为活性物质在不同电压值下对应的活性物质嵌锂量，/>为各活性物质的序号；
根据计算得到的多个电压值和对应的混合嵌锂量，绘制复合电极的半电极曲线。
利用在活性材料的混合嵌锂量和电压间构建计算公式，结合已知的活性物质的相关数据和各活性物质的半电极曲线，由此可计算出活性材料在不同电压值对应的混合嵌锂量，从而得到多种活性物质混合制备而成的活性材料的半电极曲线。该过程中利用活性物质的现有数据，直接通过计算获得混合材料的电压与对应嵌锂量数据，避免了进行实验测试，降低获取活性材料的半电极曲线的成本，提高获取效率，有利于推进后续电池仿真工作。
其中，所述活性物质是指在电化学或电化学储能设备中用作正极和负极的具有储能活性的物质。它们在电化学反应中参与电荷传递和储能过程。所述复合电极包括活性材料、粘结剂、导电剂等。本申请中所述活性材料包括至少两种活性物质。
优选地，所述活性材料由两种活性物质组成。如所述活性材料由第一活性物质和第二活性物质组成。所述第一活性物质可选用镍钴锰酸锂，所述第二活性物质可选用磷酸铁锂。在实际仿真计算过程中，用户能够自定义不同种类的活性物质及对活性物质设置不同的配比，形成不同的活性材料，从而获取不同活性材料的半电极曲线。
针对由两种活性物质组成的活性材料，其半电极曲线的具体计算步骤包括：
确定活性材料中的第一活性物质、第二活性物质及第一活性物质和第二活性物质的混合比例；
根据第一活性物质和第二活性物质的混合比例，计算第一活性物质在活性材料中的质量占比，第二活性物质在活性材料中的质量占比/>。根据第一活性物质和第二活性物质的属性，确定第一活性物质的最大锂离子浓度/>，第一活性物质的真密度/>，第二活性物质的最大锂离子浓度/>，第二活性物质的真密度/>；
获取第一活性物质的第一半电极曲线，第二活性物质的第二半电极曲线/>；
根据第一半电极曲线和第二半电极曲线/>，确定两者的交集电压区间，再根据第一半电极曲线/>确定第一活性物质在交集电压区间/>内不同电压值对应的第一活性物质嵌锂量/>，根据第二半电极曲线/>确定第二活性物质在交集电压区间/>内不同电压值对应的第二活性物质嵌锂量/>；
根据，求解活性材料在交集电压区间/>内多个电压值对应的混合嵌锂量；其中，/>为活性材料的混合嵌锂量，/>为电压值，/>为交集电压区间中最小电压值，/>为交集电压区间中最大电压值，/>为活性物质在不同电压值下对应的活性物质嵌锂量，/>为各活性物质的序号；
根据计算得到的多个电压值和对应的混合嵌锂量，绘制复合电极的半电极曲线。
其中，根据活性材料中所有活性物质的半电极曲线，确定交集电压区间，包括：
将活性材料中所有活性物质的半电极曲线分别对应的多个下限电压中的最大值作为最小电压；如第一活性物质的下限电压为0.25V，第二活性物质的下限电压为0.1V，则将0.25V作为最小电压/>；
将活性材料中所有活性物质的半电极曲线分别对应的多个上限电压中的最小值作为最大电压；如第一活性物质的上限电压为0.95V，第二活性物质的上限电压为0.93V，则将0.93V作为最大电压/>；
由最小电压值和最大电压值/>确定交集电压区间/>。
每一活性物质的下限电压、上限电压可通过该活性物质的半电极曲线求得。即半电极曲线的两个端点值。
上述操作是基于在由两种活性物质组成的活性材料中，对活性材料进行充放电时，两种活性物质一直保持等压状态且两种活性物质的嵌锂系数随电压变化而变化。
进一步地，确定活性物质在交集电压区间内不同电压值对应的活性物质嵌锂量/>，包括：
在交集电压区间内确定多个不同电压值，得到一组电压数列；其中，最小电压值/>和最大电压值/>包括在交集电压区间内；
根据活性物质的半电极曲线，求解得到每一活性物质在电压数列对应的活性物质嵌锂量/>。
在已知半电极曲线的情况下，可通过曲线拟合方式获取电压和活性物质嵌锂量间的关系。因此，可以快速得到不同活性物质的多个电压值和活性物质嵌锂量的对应数据。
进一步优选地，为使数据分布更加均匀，确定活性物质在交集电压区间内不同电压值对应的活性物质嵌锂量/>，通过如下步骤：
在交集电压区间内生成等差电压数列/>，等差电压数列包括最小电压值/>和最大电压值/>；
根据活性物质的半电极曲线，通过插值得到等差电压数列对应的活性物质嵌锂量/>。
其中，等差电压数列中差值的大小，可根据需要求取的混合嵌锂量的数量决定。如可在/>中选取50个电压值，/>，由此可计算出与50个电压值对应的50个混合嵌锂量。在对求取的复合电极的半电极曲线的精度要求越高时，可减小等差电压数列中的差值，从而增加电压值的数量，获取更多与电压值对应的活性物质嵌锂量的数据，进而求出更多关于活性材料的电压值与混合嵌锂量的数据。
进一步地，通过扣式电池循环伏安法或扣式电池恒定电流充放电法获取各活性物质的半电极曲线。即，在用户确定了组成活性材料的活性物质后，可通过实验测试分别获取不同活性物质的半电极曲线。循环伏安法是通过在正负极之间施加一系列电压扫描的方法来获取活性物质嵌锂量和电压关系的信息。恒定电流充放电法是通过在活性物质上施加恒定电流，测量其电位随时间的变化来获取活性物质的嵌锂量和电压关系的信息。除上述方法外，还可通过现有资料的查询获取活性物质的半电极曲线。
具体的，通过扣式电池循环伏安法获取正负极活性物质的嵌锂量和电压之间的关系，主要包括以下步骤：
准备工作电极和参比电极以及相应的电解质溶液，并将他们连接到电化学工作站；
在所需的电位范围内以一定的扫描速率进行循环伏安扫描，将电位逐渐变化并记录过程中的电流响应；
根据正负极的充放电反应，观察电流的变化和特征峰，以推断活性物质的嵌锂量和电压之间的关系。
通过扣式电池恒定电流充放电法获取正负极活性物质的嵌锂量和电压之间的关系，主要包括以下步骤：
准备工作电极和参比电极以及相应的电解质溶液，并将他们连接到电化学工作站；
在所需的电流密度下，将电流施加到电极上进行恒定电流充电或放电，同时，记录电极电位随时间的变化；
通过监测电位的变化以及电流充放电过程的特征，可以推断活性物质的嵌锂量和电压之间的关系。
进一步地，确定活性材料中各活性物质的最大锂离子浓度，各活性物质在活性材料中的质量占比/>和各活性物质的真密度/>；包括：
确定组成活性材料的至少两种活性物质及其混合比例；
由活性物质的自身属性确定活性物质的最大锂离子浓度，活性物质的真密度/>；即，用户可根据活性物质的生产厂家提供的该活性物质的属性表查得活性物质的最大锂离子浓度/>，活性物质的真密度/>；
由活性物质的混合比例确定活性物质在活性材料中的质量占比；/>，其中，/>为活性物质的质量；/>为活性材料的质量，即/>为组成活性材料的多种活性物质的质量总和。
进一步地，所述复合电极为正极或负极。
第二方面，一种复合电极的半电极曲线计算方法的装置，所述装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现上述复合电极的半电极曲线计算方法。
第三方面，一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有至少一条程序指令，所述至少一条程序指令被处理器加载并执行以实现上述复合电极的半电极曲线计算方法。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本申请提出的复合电极的半电极曲线计算方法，可利用现有数据直接求解由多种物质混合形成的活性材料的半电极曲线，该过程避免了实验测试，降低获取活性材料的半电极曲线的成本，提高获取效率，有利于推进后续电池仿真工作。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一中复合电极的半电极曲线计算方法流程示意图；
图2是本发明实施例一中第一活性物质（NCM712）的第一半电极曲线；
图3是本发明实施例一中第二活性物质（LFP）的第二半电极曲线；
图4是本发明实施例一中通过本申请方法得到的复合电极的半电极曲线；
图5是本发明实施例一中本申请方法得到的半电极曲线和实测得到的半电极曲线比较图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：一种复合电极的半电极曲线计算方法。本实施例中，所述复合电极中的活性材料由镍钴锰酸锂（NCM712）和磷酸铁锂（LFP）按照质量比3:7混合制备而成。将镍钴锰酸锂作为活性材料中的第一活性物质。将磷酸铁锂作为活性材料中的第二活性物质。
参见图1所示，上述复合电极的半电极曲线计算方法包括以下步骤：
步骤101：确定活性材料中各活性物质的最大锂离子浓度，活性物质在活性材料中的质量占比/>，活性物质的真密度/>；
该步骤具体包括：由生产厂家提供的活性物质的属性表确定第一活性物质的真密度g/cm3，第二活性物质的真密度/>g/cm3。第一活性物质的最大锂离子浓度mol/m3，第二活性物质的最大锂离子浓度/>mol/m3。由镍钴锰酸锂和磷酸铁锂的质量比3:7，得到/>，/>。
步骤102：分别获取各活性物质的半电极曲线，所述半电极曲线为电压随嵌锂量变化关系曲线；
该步骤具体包括：通过扣电测试获取活性物质嵌锂量和电压数据，如下表格1为第一活性物质的嵌锂量和电压数据，如下表格2为第二活性物质的部分嵌锂量和电压数据。
表格1
表格2
利用测试获取的活性物质嵌锂量和电压数据，以电压为X轴，活性物质嵌锂量为Y轴，绘制得到关于第一活性物质的第一半电极曲线和关于第二活性物质的第二半电极曲线/>，参见图2、3所示。
步骤103：根据活性材料中所有活性物质的半电极曲线，确定交集电压区间和活性物质在交集电压区间/>内不同电压值对应的活性物质嵌锂量；
该步骤具体包括：由步骤102中扣电测试得到的数据可知，所述第一活性物质的下限电压为3.121V，第一活性物质的上限电压为4.28081V，所述第二活性物质的下限电压为2.5V，第二活性物质的上限电压为3.6188V。在两个下限电压中选取较大的电压作为最小电压=3.121V，在两个上限电压中选取较小的电压作为最大电压/>=3.6188V。由此确定交集电压区间/>。
将交集电压区间生成包括多个电压值的等差数列，该等差电压数列为3.121498、3.121997、3.122495……3.617803、3.618302、3.6188。分别根据第一活性物质的半电极曲线、第二活性物质的半电极曲线，通过插值得到第一活性物质对应的活性物质嵌锂量/>，第二活性物质对应的活性物质嵌锂量/>。
步骤104：根据，求解活性材料在交集电压区间内多个电压值对应的混合嵌锂量；
该步骤具体包括：本实施例中活性材料包括两种活性物质，表示活性物质的序号，/>=1,2。将/>展开得到/>。由步骤101中确定的第一活性物质的真密度/>g/cm3，第二活性物质的真密度/>g/cm3。第一活性物质的最大锂离子浓度/>mol/m3，第二活性物质的最大锂离子浓度/>mol/m3。在步骤103中确定的等差电压数列/>与其分别对应的第一活性物质的活性物质嵌锂量/>，第二活性物质的活性物质嵌锂量。将上述数据代入/>中，求得不同电压下对应的活性材料的混合嵌锂量，如下表格3为活性材料的电压和混合嵌锂量的部分数据。
表格3
步骤105：根据计算得到的多个电压值和对应的混合嵌锂量，绘制复合电极的半电极曲线。
参见图4所示，为由步骤104中求解得到活性材料的电压和混合嵌锂量数据绘制得到的复合电极的半电极曲线。
为验证上述复合电极的半电极曲线计算方法的准确性，发明人根据钴锰酸锂（NCM712）和磷酸铁锂（LFP）按照质量比3:7混合制备活性材料，并进一步制作形成扣式电池。
通过扣电测试方法获取由活性材料组成的复合电极的电压值与混合嵌锂量的数据，如下表格4为实验测试得到的部分数据。
表格4
根据实验测试得到的电压值与混合嵌锂量的数据绘制半电极曲线。如图5所示，为经本申请计算方法得到的复合电极的半电极曲线和实测得到半电极曲线的比较图。由图可知，计算得到的半电极曲线和实测得到的半电极曲线基本重合，两者间的偏差基本可忽略。因此，经本申请计算方法获得的半电极曲线可准确用于描述活性材料中电压随混合嵌锂量变化关系。
本发明的第二方面，一种复合电极的半电极曲线计算方法的装置，所述装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现上述复合电极的半电极曲线计算方法。
本发明的第三方面，一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有至少一条程序指令，所述至少一条程序指令被处理器加载并执行以实现上述复合电极的半电极曲线计算方法。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种复合电极的半电极曲线计算方法，所述复合电极中的活性材料由至少两种活性物质组成，其特征在于，所述半电极曲线计算方法包括以下步骤：
确定活性材料中各活性物质的最大锂离子浓度 ，各活性物质在活性材料中的质量占比/>和各活性物质的真密度/>；
分别获取各活性物质的半电极曲线，所述半电极曲线为电压随嵌锂量变化关系曲线；
根据活性材料中所有活性物质的半电极曲线，确定交集电压区间和活性物质在交集电压区间/>内不同电压值对应的活性物质嵌锂量/>；
根据，求解活性材料在交集电压区间/>内多个电压值对应的混合嵌锂量；其中，/>为活性材料的混合嵌锂量，/>为电压值，/>为交集电压区间中最小电压值，/>为交集电压区间中最大电压值，/>为活性物质在不同电压值下对应的活性物质嵌锂量，/>为各活性物质的序号；
根据计算得到的多个电压值和对应的混合嵌锂量，绘制复合电极的半电极曲线。
2.根据权利要求1所述的复合电极的半电极曲线计算方法，其特征在于，所述活性材料由两种活性物质组成。
3.根据权利要求1所述的复合电极的半电极曲线计算方法，其特征在于，根据活性材料中所有活性物质的半电极曲线，确定交集电压区间，包括：
将活性材料中所有活性物质的半电极曲线分别对应的多个下限电压中的最大值作为最小电压值；
将活性材料中所有活性物质的半电极曲线分别对应的多个上限电压中的最小值作为最大电压值；
由最小电压值和最大电压值/>确定交集电压区间/>。
4.根据权利要求1所述的复合电极的半电极曲线计算方法，其特征在于，确定活性物质在交集电压区间内不同电压值对应的活性物质嵌锂量/>，包括：
在交集电压区间内确定多个不同电压值，得到一组电压数列/>；
根据活性物质的半电极曲线，求解得到每一活性物质在电压数列对应的活性物质嵌锂量/>。
5.根据权利要求1或4所述的复合电极的半电极曲线计算方法，其特征在于，确定活性物质在交集电压区间内不同电压值对应的活性物质嵌锂量/>，包括：
在交集电压区间内生成等差电压数列/>；
根据活性物质的半电极曲线，通过插值得到等差电压数列对应的活性物质嵌锂量/>。
6.根据权利要求1所述的复合电极的半电极曲线计算方法，其特征在于，通过扣式电池循环伏安法或扣式电池恒定电流充放电法获取各活性物质的半电极曲线。
7.根据权利要求1所述的复合电极的半电极曲线计算方法，其特征在于，确定活性材料中各活性物质的最大锂离子浓度，各活性物质在活性材料中的质量占比/>和各活性物质的真密度/>；包括：
确定组成活性材料的至少两种活性物质及其混合比例；
由活性物质的自身属性确定活性物质的最大锂离子浓度，活性物质的真密度/>；由混合比例确定活性物质在活性材料中的质量占比/>。
8.根据权利要求1所述的复合电极的半电极曲线计算方法，其特征在于，所述复合电极为正极或负极。
9.一种复合电极的半电极曲线计算方法的装置，其特征在于，所述装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现如权利要求1～8任一项所述的复合电极的半电极曲线计算方法。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有至少一条程序指令，所述至少一条程序指令被处理器加载并执行以实现如权利要求1～8任一项所述的复合电极的半电极曲线计算方法。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117706386A (zh) * | 2024-02-05 | 2024-03-15 | 苏州易来科得科技有限公司 | 锂电池正负极嵌锂系数上下限的计算方法和装置 |
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2023
- 2023-09-04 CN CN202311126328.3A patent/CN117093805A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN117706386A (zh) * | 2024-02-05 | 2024-03-15 | 苏州易来科得科技有限公司 | 锂电池正负极嵌锂系数上下限的计算方法和装置 |
| CN117706386B (zh) * | 2024-02-05 | 2024-05-07 | 苏州易来科得科技有限公司 | 锂电池正负极嵌锂系数上下限的计算方法和装置 |
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