電池電極材料中計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用

趙 琰，嚴(yán) 坤

（宜春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 宜春 336000）

近年來，商業(yè)化的綠色能源電池得到了廣泛應(yīng)用，對質(zhì)量更好的電池設(shè)備的需求越來越高，鈉離子電池和鋰硫電池這兩種新型的能源電池逐漸引起了研究者的重視。因此，通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以讓人們更加直觀地認(rèn)識到電池的特性，為電池材料的優(yōu)化發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

1 鋰離子電池

相較于二次電池，鋰離子有以下特點(diǎn)。首先，無記憶效應(yīng)。鋰離子電池與傳統(tǒng)的電池相比，并不具備記憶效應(yīng)，因此，無需放電使用。其次，可長時間存放。由于鋰電池自放電量很少，一般每個月放電量幾乎不到鎳氫電池的1/20。此外，環(huán)保高效。由于鋰離子電池中不含鉛、汞重金屬元素，使用時，不會產(chǎn)生污染環(huán)境的廢物，因此更加環(huán)保、綠色、安全。

1.1 鋰離子電池電極材料簡述

1.1.1 負(fù)極材料

一般鋰離子電池的負(fù)極材料是可嵌鋰化物，其具有以下特點(diǎn)：①具有較低的嵌鋰電位和較高的與鋰發(fā)生氧化-還原反應(yīng)的電壓，具有較高的可逆性。②在每單位質(zhì)量中，能量存儲密度更高。③嵌出速率快，擴(kuò)散阻抗低，具有優(yōu)異的離子導(dǎo)電及電子導(dǎo)電性能。④對金屬箔具有良好的附著力，在烘烤時不會輕易脫落。⑤親水性好，無需使用NMP，降低了生產(chǎn)費(fèi)用，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

1.1.2 正極材料

正極材料作為鋰離子電池中一種關(guān)鍵的原材料，是鋰離子的主要來源，并且能夠直接參與電池中的電化學(xué)反應(yīng)。目前，常用的正極材料包括鋰錳氧化物、鋰釩氧化物、鎳鈷氧化物、鎳鐵氧化物、鎳鋅氧化物、鐵酸鎳等。

1.2 鋰離子電池中計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的應(yīng)用

1.2.1 第一性原理

第一性原理是一種利用量子力學(xué)的理論方法，僅需5 個基礎(chǔ)常量(m0、e、h、c、kB)即可得到該系統(tǒng)的各種物性參數(shù)，具有精度高、計(jì)算量大等特點(diǎn)。通過第一性原則，可以對鋰電池在制備過程中發(fā)生的各種溫度、壓力、物質(zhì)轉(zhuǎn)變等現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬。同時，還可以對微量的雜質(zhì)導(dǎo)致的金屬脆化現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)質(zhì)量提高。而根據(jù)第一性原理給出的研究結(jié)果，可以為實(shí)驗(yàn)人員提供定量的理論依據(jù)，解釋一些常見的設(shè)計(jì)優(yōu)化問題。

1.2.2 分子動力學(xué)

分子動力學(xué)是一種基于原子尺度的數(shù)值模擬技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更大尺度的數(shù)值模擬，也可以更好地描述和解析鋰離子的動力學(xué)行為，但由于顆粒的運(yùn)動遵循牛頓理論，對于氫、氦等重量更小的顆粒，其量子化的效率并不高。

1.2.3 有限元方法

在鋰離子電池的計(jì)算機(jī)模擬中，有限元方法可以用于研究電池的電化學(xué)行為、熱力學(xué)性質(zhì)以及力學(xué)性質(zhì)等。通過建立力學(xué)模型的有限元方程，模擬電池在不同充放電狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)，包括電池的變形、振動等，可以對電池的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行更精確的描述，更好地預(yù)測電池的使用性能和安全性等。

2 鈉離子電池

鈉離子電池是一種新型電池，具有潛在的優(yōu)勢和應(yīng)用前景，相比于鋰離子電池，它具有更低成本、更高安全性和更廣泛的適用范圍等優(yōu)點(diǎn)。鈉離子電池的工作原理是利用鈉離子在正負(fù)極之間遷移和嵌入/脫出，實(shí)現(xiàn)電能儲存和釋放。由于鈉離子電池不需要使用稀有金屬，因此它不受資源限制，同時具有較好的低溫性能和較高的安全性能。因鈉離子電池允許放電到0 V，絲毫不遜色于磷酸鐵鋰電池，同時有望以成本優(yōu)勢在大規(guī)模儲能中替代傳統(tǒng)的鉛酸電池。

2.1 鈉離子電池電極材料

2.1.1 鈉離子電池負(fù)極材料

實(shí)驗(yàn)表明，鈉離子電池的負(fù)極材料常用金屬鈉，但同樣不可避免會有枝晶問題產(chǎn)生，同時鈉的熔點(diǎn)較低，存在著較大的安全隱患，從而不能用于商業(yè)。與鋰離子電池相同的是，鈉離子電池的負(fù)極材料通常選用合金或嵌鈉性能材料，常用材料有碳基材料、金屬氧化物材料、金屬或合金材料。

2.1.2 鈉離子電池正極材料

相似于鋰離子電池，鈉離子電池體系中最核心的材料為正極材料，其通常為嵌入型化合物，且需滿足下列要求：結(jié)構(gòu)、電子電導(dǎo)率、離子電導(dǎo)率、比容量、氧化還原電位、電化學(xué)循環(huán)性能等穩(wěn)定良好。通常鈉離子正極材料包含聚陰離子型化合物和過渡金屬氧化物。

2.2 鈉離子電池中計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的應(yīng)用

相比于鋰離子電池較為成熟的體系來說，鈉離子電池仍舊處于科研階段，未能大量投入生產(chǎn)。通過使用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)能夠明確了解充放電過程中鈉離子電池的化學(xué)反應(yīng)、質(zhì)量轉(zhuǎn)移、電荷轉(zhuǎn)移等過程。此外，從微觀層面上，認(rèn)識電極材料的物性與結(jié)構(gòu)關(guān)系，為電池的性能優(yōu)化與革新提供理論基礎(chǔ)。

3 鋰硫電池

鋰硫電池是鋰電池的一種，以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負(fù)極。鋰硫電池具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如比能量高、成本低、環(huán)境友好等，因此具有極大的發(fā)展?jié)摿?。但是，鋰硫電池的關(guān)鍵問題是多硫化物的“穿梭”效應(yīng)，該效應(yīng)導(dǎo)致活性物質(zhì)從陰極逐漸泄漏，從而導(dǎo)致電池壽命降低。作為一種新型的高能量密度、高安全性的電池技術(shù)，鋰硫電池能夠成為新能源汽車的重要能量來源。

3.1 鋰硫電池電極材料簡述

3.1.1 鋰硫電池負(fù)極材料

鋰硫電池的負(fù)極材料主要有金屬鋰和石墨兩種選擇。在鋰硫電池中，金屬鋰具有一定的局限性。由于硫的極高電化學(xué)活性，鋰在反應(yīng)中會與硫化物反應(yīng)生成鋰硫物，導(dǎo)致金屬鋰的消耗過快和電化學(xué)效率下降。相比之下，石墨負(fù)極可以抑制鋰與硫的反應(yīng)，提高鋰離子的存儲效率和循環(huán)壽命。

3.1.2 鋰硫電池正極材料

鋰硫電池的正極材料主要是多孔碳材料、碳納米管、石墨烯等復(fù)合物。通過將硫與多孔碳材料、碳納米管、石墨烯等復(fù)合，可以改善硫的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，從而提高鋰硫電池的電化學(xué)性能。此外，金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物也可以作為鋰硫電池的正極材料，但它們的成本較高，應(yīng)用范圍相對較窄。

3.2 鋰硫電池中計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的應(yīng)用

在鋰硫電池中，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)主要應(yīng)用于電極材料的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、電池性能的預(yù)測與評估、電池反應(yīng)機(jī)理的研究等領(lǐng)域。但鋰硫電池正極材料無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，因此，相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用集中在正極材料改性，未觸及到整體設(shè)計(jì)方面。

4 結(jié)論與展望

伴隨著化學(xué)、物理、材料等學(xué)科以及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)逐漸成為了新能源電池材料領(lǐng)域中研發(fā)的重要技術(shù)支撐。將試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)相結(jié)合，能夠有效地解決與電池電極材料有關(guān)的問題，歸納如下：

（1）材料設(shè)計(jì)：通過實(shí)驗(yàn)測定和計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，可以更加深入地了解材料的物理化學(xué)性質(zhì)，預(yù)測材料的性能，從而設(shè)計(jì)出具有優(yōu)良性能的電池電極材料。

（2）反應(yīng)機(jī)理研究：通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬，可以揭示電池充放電過程中的反應(yīng)機(jī)理，深入了解電極材料與電解質(zhì)之間的作用機(jī)制，為電池性能的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

（3）性能預(yù)測與優(yōu)化：實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)結(jié)合，可以預(yù)測電池電極材料的電化學(xué)性能，并優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，提高電池的能量密度和穩(wěn)定性。

（4）安全性評估：通過實(shí)驗(yàn)測定和計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，可以對電池電極材料的安全性進(jìn)行評估，預(yù)測其在各種條件下的穩(wěn)定性，為電池的安全使用提供理論支持。

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)朝著快速、精確的方向發(fā)展，有利于提高電池電極材料研發(fā)創(chuàng)新，進(jìn)而生產(chǎn)出更加低成本、高效的電池，從而為新能源汽車行業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。