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► 图1 标准 GGA 与GGA+U、HSE06 计算得到各种锂离子
分子动力学方法
基于密度泛函的第一性原理计算能够得到材料处于零温基态时的性质,在有限温度下材料中原子、离子的输运可通过分子动力学模拟进行研究。分子动力学计算作为采用经验势函数的原子级模拟手段,与第一性原理方法相比,可进行更大规模的模拟,能较好地展现锂离子动态扩散过程并进行分析。
► 图2 分子动力学模拟过程示意图
分子动力学可以模拟系统粒子随时间的演化,查看离子迁移的路径,计算粒子的扩散系数以及材料的稳定性,但是粒子运动的规律是牛顿力学,对质量较轻的粒子比如氢气和氦低温存在量子效应计算效果不理想。锂离子电池方面,分子动力学可以获得材料中离子的扩散系数和迁移路径,为我们理解材料中离子的扩散机制提供了可能。
Yang 等通过计算LiFePO4 的自扩散过程,发现该材料中Li+的迁移并不是连续发生的,而是通过相邻晶格位置之间逐渐推进的跃迁发生的。2014年上海大学张俊乾等人采用分子动力学方法,模拟充电过程中锂离子在石墨层间的扩散行为。研究了300 K温度下石墨阳极材料的锂离子扩散性质,实验结果为锂离子电池电极变形的连续尺度模型研究提供了基础数据。
► 图3 分子动力学模拟得到
(a)Li 离子在LiFePO4 中的运动轨迹;
(b)Li 离子通过Li/Fe 互占位缺陷在通道之间的迁移
相场模型
相场法(Phase field method) 是以Ginzburg-Landau理论为物理基础,通过微分方程来体现具有特定物理机制的扩散、有序化势和热力学驱动的综合作用,通过计算机编程求解上述方程,从而获取研究体系在时间和空间上的瞬时状态。相场模型是以热力学和动力学基本原理为基础而建立起来的一个用于预测固态相变过程中微结构演化的有力工具。
通过相场模型能够模拟晶体生长、固态相变、裂纹演化、薄膜相变、离子在界面处迁移等,但是模拟结果缺少和时间观测量的定量比较,计算时界面厚度的设定通常大于实际情况,导致细节的缺失。荷兰代尔夫特理工大学的Marnix Wagemaker(通讯作者)等人在2018年Adv.Funct.Mater.期刊上发表文章提出了锂离子插入到尖晶石Li4Ti5O12中的热力学相场模型,整合了DFT数据,能够对包含相分离颗粒的完整热力学行为进行描述,为设计最佳性能的Li4Ti5O12电极提供了具体的方向。
► 图4 LTO单粒子模拟,多孔电极模拟下的电池容量及标称放电容量与电极厚度的关系
有限元法
有限元方法(finite element method)是一种求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。有限元方法模拟的流程为:1.对求解问题区域离散化2.确定这个区域的状态变量和变量的控制方法,即变量时间空间的演化方程;3.对单个单元进行推导,对由单元组装起来的总体进行求解,最后联立方程组求解并获得结果。
为了更好地理解电动车用的大容量和大功率锂离子电池的过热行为,西安交通大学曹秉刚等在考虑内阻、对流、外部耗散等条件下利用有限元方法模拟了电池工作时内部温度的空间分布,155 ℃热炉中测试电池的温度分布模拟结果和VLP50/62/100S-Fe(3.2 V/55 A˙h)LiFePO4/石墨的电池复合。
► 图5 有限元模拟在155 ℃,1200 s 和3600 s 温度在电池中的分布
相场模型及有限元法等宏观尺度的材料模拟着眼于工程领域的问题,有助于理解锂离子电池中出现的应力、传热、流动以及多场耦合等宏观现象。基于密度泛函的第一性原理计算更利于得出材料体系的能量和电子结构等微观物理性质。
随着理论的发展创新以及计算机模拟的广泛应用,计算材料学将会对实验材料学进行引领和验证,从宏观尺度到微观理论的计算都将极大的促进材料领域的发展,对锂离子电池而言,实验科学中的诸多问题在计算模拟的帮助下也将会得出为明确的理论解释。对锂离子电池计算模拟方法的理解将会加速锂离子电池材料的开发和应用。
文献引用:
[1] 黄杰, 凌仕刚, 王雪龙,等. 锂离子电池基础科学问题(XIV)——计算方法[J]. 储能科学与技术, 2015, 4(2):215-230.
[2] 姬祥, 宋亦诚, 张俊乾. 锂离子电池LixC6扩散性质的分子动力学模拟[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2014(1):68-74.
[3]施思齐. 锂离子电池正极材料的第一性原理研究[D]. 中国科学院物理研究所, 2004.
[4] Yang J J, Tse J S. Li ion diffusion mechanisms in LiFePO4: An abinitio molecular dynamics study[J]. J. Phys. Chem. A, 2011, 115 (45): 13045-13049.
[5] Vasileiadis A, Klerk N J J D, Smith R B, et al. Toward Optimal Performance and In‐Depth Understanding of Spinel Li4Ti5O12 Electrodes through Phase Field Modeling[J]. Advanced Functional Materials, 2018.
[6] Herzmann C, Günther G, Eker B, et al. Three-dimensional thermal finite element modeling of lithium-ion battery in thermal abuse application[J]. Journal of Power Sources, 2010, 195(8): 2393-2398.
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