{"id":1804,"date":"2019-05-22T02:48:07","date_gmt":"2019-05-22T02:48:07","guid":{"rendered":"http:\/\/www.meetyoucarbide.com\/single-post-the-commonly-used-analog-calculation-method-in-the-field-of-lithium\/"},"modified":"2020-05-04T13:12:03","modified_gmt":"2020-05-04T13:12:03","slug":"the-commonly-used-analog-calculation-method-in-the-field-of-lithium","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/la-methode-de-calcul-analogique-couramment-utilisee-dans-le-domaine-du-lithium\/","title":{"rendered":"La m\u00e9thode de calcul analogique couramment utilis\u00e9e dans le domaine du lithium"},"content":{"rendered":"
\n
\n
Au cours des derni\u00e8res d\u00e9cennies, les batteries lithium-ion ont attir\u00e9 l'attention dans le domaine des mat\u00e9riaux \u00e9nerg\u00e9tiques. Dans le m\u00eame temps, avec le d\u00e9veloppement de la th\u00e9orie de base et du domaine informatique, de nombreuses m\u00e9thodes de simulation informatique ont \u00e9t\u00e9 appliqu\u00e9es dans la recherche des batteries lithium-ion. En raison d'erreurs dans le processus exp\u00e9rimental, des \u00e9chelles microscopiques, telles que le m\u00e9canisme de croissance des membranes SEI, la dynamique de diffusion des ions dans les mat\u00e9riaux d'\u00e9lectrode, l'\u00e9volution des structures pendant la charge et la d\u00e9charge des mat\u00e9riaux d'\u00e9lectrode, la relation entre le potentiel et la structure, et la la distribution des couches de charge d'espace ne peut pas \u00eatre r\u00e9solue. Conclusions intuitives, les m\u00e9thodes exp\u00e9rimentales ne peuvent pas donner une explication th\u00e9orique claire. En revanche, les m\u00e9thodes de simulation num\u00e9rique ont des avantages relatifs pour comprendre l'\u00e9volution de la chimie interne et de l'\u00e9lectrochimie des batteries lithium-ion. Les calculs th\u00e9oriques v\u00e9rifient les r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux des mat\u00e9riaux de batterie au lithium-ion, et favorisent et guident \u00e9galement le d\u00e9veloppement des mat\u00e9riaux de batterie. Ci-dessous, nous pr\u00e9sentons plusieurs m\u00e9thodes de calcul analogique couramment utilis\u00e9es et leurs applications dans les batteries lithium-ion.<\/div>\n

Application de la th\u00e9orie fonctionnelle de la densit\u00e9<\/h2>\n
La th\u00e9orie fonctionnelle de la densit\u00e9 a \u00e9t\u00e9 largement utilis\u00e9e dans la recherche sur les batteries au lithium-ion. Il est couramment utilis\u00e9 pour calculer la stabilit\u00e9 structurelle, le potentiel d'insertion du lithium, la structure \u00e9lectronique, la bande d'\u00e9nergie, la structure de relaxation, l'\u00e9nergie de g\u00e9n\u00e9ration de d\u00e9fauts, le chemin de migration, l'\u00e9nergie d'activation et le lithium. Propri\u00e9t\u00e9s telles que la cin\u00e9tique de transport ionique et la d\u00e9sintercalation des transitions de phase lithium.<\/div>\n
La valeur de tension de la batterie est un param\u00e8tre associ\u00e9 \u00e0 une variation de l'\u00e9nergie libre de la r\u00e9action de la batterie. Diff\u00e9rents mat\u00e9riaux ont un potentiel d'insertion de lithium inh\u00e9rent. Le mat\u00e9riau d'\u00e9lectrode a id\u00e9alement un potentiel plus \u00e9lev\u00e9 pour l'\u00e9lectrode positive, un potentiel plus faible pour l'\u00e9lectrode n\u00e9gative et une diff\u00e9rence de potentiel entre les diff\u00e9rentes \u00e9lectrodes. La puissance de la batterie lithium-ion peut \u00eatre calcul\u00e9e en fonction de la r\u00e9ponse de la batterie: (la puissance \u00e9lectronique de 1 mol est exprim\u00e9e par F, et la puissance \u00e9lectronique e\u2212 est<\/div>\n
1,602 \u00d7 10\u221219 C) F = NA \u00b7 e\u2212 = 96487,56 C \/ mol<\/div>\n
Soit n le nombre de charges transf\u00e9r\u00e9es pendant la r\u00e9action de la batterie, puis la batterie \u00e0 travers la batterie est nF, le travail \u00e9lectrique maximum effectu\u00e9 par la batterie est:<\/div>\n
\u2212Wr '= nFVAVE<\/div>\n
Dans des conditions isostatiques isothermes, l'\u00e9nergie libre de Gibbs du syst\u00e8me est \u00e9gale au travail effectu\u00e9 par le syst\u00e8me vers le monde ext\u00e9rieur:<\/div>\n
\u0394G = \u2212Wr '<\/div>\n
\u0394G = nFVAVE \uff0c Et parce que Li + a une unit\u00e9 de charge, VAVE = \u0394G \/ F<\/div>\n
\u0394G est l'\u00e9nergie libre de Gibbs de la r\u00e9action de la batterie, en supposant que le changement de volume et d'entropie provoqu\u00e9 par la r\u00e9action d'incorporation des cellules est n\u00e9gligeable, alors<\/div>\n
\u0394G\u2248\u0394E<\/div>\n
donc: VAVE = \u0394E \/ F<\/div>\n
Pour un syst\u00e8me de batterie dans lequel l'\u00e9lectrode positive est LiA et l'\u00e9lectrode n\u00e9gative est B, on suppose que x lithium est retir\u00e9 de LiA et int\u00e9gr\u00e9 dans B apr\u00e8s la charge (processus de charge positive), et la formule de r\u00e9action est:<\/div>\n
LiA + B \u2192 Li1 \u2212 xA + LixB<\/div>\n
La tension moyenne de ce processus est la diff\u00e9rence entre l'\u00e9nergie de chaque \u00e9tat final correspondant au lithium (Li1 \u2212 xA, LixB) et l'\u00e9tat initial (LiA, B), puis la tension:<\/div>\n
V = [E (Li1 \u2212 xA) + E (LixB) \u2212E (LiA) \u2212E (B)] \/ xe<\/div>\n
Lorsque l'\u00e9lectrode n\u00e9gative est du lithium m\u00e9tallique, elle peut \u00eatre simplifi\u00e9e comme suit:<\/div>\n
V = [E (Li1 \u2212 xA) + E (Lix) \u2212E (LiA)] \/ xe<\/div>\n
En calculant l'\u00e9nergie totale de chaque substance avant et apr\u00e8s la r\u00e9action, le potentiel d'\u00e9lectrode peut \u00eatre calcul\u00e9 selon la formule ci-dessus. Cependant, pour presque tous les mat\u00e9riaux cathodiques, la tension calcul\u00e9e par la th\u00e9orie fonctionnelle de la densit\u00e9 est faible. En appliquant une correction + U au GGA standard, c'est-\u00e0-dire la m\u00e9thode GGA + U, ou en utilisant la fonction hybride HSE06, une tension plus proche de la valeur exp\u00e9rimentale peut \u00eatre obtenue. Dans le calcul des mat\u00e9riaux de cathode \u00e0 oxyde contenant des ions de m\u00e9tal de transition 3d, le fort effet de corr\u00e9lation a \u00e9t\u00e9 reconnu comme un effet \u00e0 consid\u00e9rer.<\/div>\n

\"\"<\/p>\n

Figure 1: GGA standard et GGA + U, HSE06 Calculer divers ions lithium<\/div>\n

M\u00e9thode de dynamique mol\u00e9culaire<\/h2>\n
Le calcul des premiers principes bas\u00e9 sur la densit\u00e9 fonctionnelle permet d'obtenir les propri\u00e9t\u00e9s du mat\u00e9riau \u00e0 l'\u00e9tat fondamental \u00e0 temp\u00e9rature nulle. Le transport des atomes et des ions dans le mat\u00e9riau peut \u00eatre \u00e9tudi\u00e9 par simulation de dynamique mol\u00e9culaire \u00e0 temp\u00e9rature finie. Le calcul de la dynamique mol\u00e9culaire est utilis\u00e9 comme m\u00e9thode de simulation au niveau atomique en utilisant la fonction de potentiel empirique. Compar\u00e9 \u00e0 la m\u00e9thode des premiers principes, il peut effectuer une simulation \u00e0 plus grande \u00e9chelle, ce qui permet de mieux afficher le processus de diffusion dynamique au lithium-ion et de l'analyser.<\/div>\n
La dynamique mol\u00e9culaire peut simuler l'\u00e9volution des particules du syst\u00e8me au fil du temps, regarder le chemin de la migration des ions, calculer le coefficient de diffusion des particules et la stabilit\u00e9 des mat\u00e9riaux, mais la loi du mouvement des particules est la m\u00e9canique newtonienne et l'existence de particules de faible qualit\u00e9 comme l'hydrog\u00e8ne et l'h\u00e9lium L'effet de calcul de l'effet quantique n'est pas id\u00e9al. En termes de batteries lithium-ion, la dynamique mol\u00e9culaire peut obtenir le coefficient de diffusion et le chemin de migration des ions dans les mat\u00e9riaux, ce qui nous donne la possibilit\u00e9 de comprendre le m\u00e9canisme de diffusion des ions dans les mat\u00e9riaux.<\/div>\n
Yang a calcul\u00e9 le processus d'auto-diffusion de LiFePO4 et a constat\u00e9 que la migration de Li + dans le mat\u00e9riau ne se produit pas en continu, mais se produit par la transition entre les positions de r\u00e9seau adjacentes. En 2014, Zhang Jungan et d'autres de l'Universit\u00e9 de Shanghai ont utilis\u00e9 la dynamique mol\u00e9culaire pour simuler le comportement de diffusion des ions lithium entre les couches de graphite pendant la charge. Les propri\u00e9t\u00e9s de diffusion d'ions lithium des mat\u00e9riaux d'anode en graphite \u00e0 300 K ont \u00e9t\u00e9 \u00e9tudi\u00e9es. Les r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux fournissent des donn\u00e9es de base pour l'\u00e9tude du mod\u00e8le \u00e0 l'\u00e9chelle continue de la d\u00e9formation des \u00e9lectrodes des batteries lithium-ion.<\/div>\n

\"\"<\/p>\n

Figure 2: La simulation de la dynamique mol\u00e9culaire montre (a) la trajectoire des ions Li dans LiFePO4; (b) la migration des ions Li entre les canaux par des d\u00e9fauts d'occupation mutuelle Li \/ Fe<\/div>\n

Mod\u00e8le de champ de phase<\/h2>\n
La m\u00e9thode du champ de phase est bas\u00e9e sur la th\u00e9orie de Ginzburg-Landau. L'\u00e9quation diff\u00e9rentielle est utilis\u00e9e pour repr\u00e9senter la diffusion, le potentiel de commande et l'entra\u00eenement thermodynamique d'un m\u00e9canisme physique sp\u00e9cifique. Les \u00e9quations ci-dessus sont r\u00e9solues par programmation informatique. \u00c9tudiez l'\u00e9tat instantan\u00e9 du syst\u00e8me dans le temps et l'espace. Le mod\u00e8le de champ de phase est bas\u00e9 sur les principes fondamentaux de la thermodynamique et de la dynamique et est un outil puissant pour pr\u00e9dire l'\u00e9volution des microstructures pendant les transitions de phase \u00e0 l'\u00e9tat solide.<\/div>\n
Le mod\u00e8le de champ de phase peut simuler la croissance cristalline, la transformation en phase solide, l'\u00e9volution des fissures, la transition de phase du film, la migration ionique \u00e0 l'interface, etc., mais les r\u00e9sultats de la simulation sont un manque de comparaison quantitative avec l'observation du temps. L'\u00e9paisseur de l'interface est g\u00e9n\u00e9ralement d\u00e9finie plus grande que la situation r\u00e9elle. , conduisant \u00e0 un manque de d\u00e9tails. Marnix Wagemaker (auteur correspondant) de l'Universit\u00e9 de technologie de Delft aux Pays-Bas a publi\u00e9 un article dans la revue Adv.Funct.Mater. en 2018 pour proposer un mod\u00e8le de champ de phase thermodynamique pour l'insertion d'ions lithium dans le spinelle Li4Ti5O12, int\u00e9grant les donn\u00e9es DFT. La capacit\u00e9 de d\u00e9crire le comportement thermodynamique complet des particules \u00e0 phase s\u00e9par\u00e9e fournit une direction sp\u00e9cifique pour la conception de l'\u00e9lectrode Li4Ti5O12 la plus performante.<\/div>\n

\"\"<\/p>\n

Figure 3: Simulation de particules LTO, la relation entre la capacit\u00e9 de la batterie et la capacit\u00e9 de d\u00e9charge nominale et l'\u00e9paisseur de l'\u00e9lectrode sous simulation d'\u00e9lectrode poreuse<\/div>\n

M\u00e9thode des \u00e9l\u00e9ments finis<\/h2>\n
La m\u00e9thode des \u00e9l\u00e9ments finis est une technique num\u00e9rique pour r\u00e9soudre la solution approximative du probl\u00e8me de la valeur limite des \u00e9quations aux d\u00e9riv\u00e9es partielles. Le d\u00e9roulement de la simulation de la m\u00e9thode des \u00e9l\u00e9ments finis est le suivant: 1. Discr\u00e9tisation de la zone de probl\u00e8me de la solution 2. D\u00e9terminer la variable d'\u00e9tat et la m\u00e9thode de contr\u00f4le variable de la r\u00e9gion, c'est-\u00e0-dire l'\u00e9quation d'\u00e9volution de l'espace-temps variable; 3. D\u00e9river l'unit\u00e9 unique, assembler l'unit\u00e9 La solution globale est r\u00e9solue, et enfin les \u00e9quations simultan\u00e9es sont r\u00e9solues et les r\u00e9sultats sont obtenus.<\/div>\n
Afin de mieux comprendre le comportement de surchauffe des batteries lithium-ion de grande capacit\u00e9 et de haute puissance pour les v\u00e9hicules \u00e9lectriques, Cao Binggang de l'Universit\u00e9 Xi'an Jiaotong a utilis\u00e9 la m\u00e9thode des \u00e9l\u00e9ments finis pour simuler la temp\u00e9rature interne de la batterie lors de l'examen de la r\u00e9sistance interne, convection et dissipation externe. La distribution spatiale, les r\u00e9sultats de simulation de distribution de temp\u00e9rature de la cellule de test dans un four chaud \u00e0 155 \u00b0 C et la composition de la batterie de VLP50 \/ 62 \/ 100S-Fe (3,2 V \/ 55 A \u00b7 h) LiFePO4 \/ graphite.<\/div>\n

\"\"<\/p>\n

Figure 4: Distribution des simulations d'\u00e9l\u00e9ments finis dans la cellule \u00e0 155 \u00b0 C, 1200 s et 3600 s<\/div>\n
Les simulations de mat\u00e9riaux macroscopiques telles que les mod\u00e8les de champ de phase et les m\u00e9thodes par \u00e9l\u00e9ments finis se concentrent sur les probl\u00e8mes d'ing\u00e9nierie et aident \u00e0 comprendre les ph\u00e9nom\u00e8nes macroscopiques tels que la contrainte, le transfert de chaleur, l'\u00e9coulement et le couplage multi-champs dans les batteries lithium-ion. Le calcul des premiers principes bas\u00e9 sur la th\u00e9orie fonctionnelle de la densit\u00e9 est plus propice aux propri\u00e9t\u00e9s microphysiques telles que l'\u00e9nergie et la structure \u00e9lectronique du syst\u00e8me de mat\u00e9riaux.<\/div>\n
Avec le d\u00e9veloppement de la th\u00e9orie et l'application extensive de la simulation par ordinateur, la science des mat\u00e9riaux de calcul dirigera et v\u00e9rifiera la science exp\u00e9rimentale des mat\u00e9riaux. Le calcul de l'\u00e9chelle macroscopique \u00e0 la th\u00e9orie microscopique favorisera grandement le d\u00e9veloppement du domaine des mat\u00e9riaux, pour les batteries lithium-ion. En ce qui concerne les nombreux probl\u00e8mes de la science exp\u00e9rimentale, \u00e0 l'aide de simulations informatiques, ce sera \u00e9galement une explication th\u00e9orique claire. Une compr\u00e9hension des m\u00e9thodes de simulation informatique des batteries lithium-ion acc\u00e9l\u00e9rera le d\u00e9veloppement et l'application des mat\u00e9riaux des batteries lithium-ion.<\/div>\n
R\u00e9f\u00e9rence:<\/div>\n
[1] Huang Jie, Ling Shigang, Wang Xuelong et al. Probl\u00e8me des sciences fondamentales de la batterie au lithium-ion (XIV) \u2014\u2014 M\u00e9thode de calcul [J]. Science et technologie du stockage de l'\u00e9nergie, 2015, 4 (2): 215-230.<\/div>\n
[2] Ji Xiang, Song Yicheng, Zhang Jungan. Simulation de la dynamique mol\u00e9culaire des propri\u00e9t\u00e9s de diffusion de Li_xC_6 dans les batteries au lithium-ion [J]. Journal of Shanghai University (Natural Science), 2014 (1): 68-74.<\/div>\n
[3] Shi Siqi (Sisi Qi). Etude des premiers principes des mat\u00e9riaux cathodiques pour batteries lithium-ion [D]. P\u00e9kin: Institut de physique Acad\u00e9mie chinoise des sciences, 2004. [4] M\u00e9canismes de diffusion ionique Yang JJ S. Tse J S. Li dans LiFePO4 \uff1a Une \u00e9tude de dynamique mol\u00e9culaire abinitio [J]. J. Phys. Chem. A \uff0c 2011\uff0c115 \uff0845\uff09 \uff1a 13045-13049.<\/div>\n
[5] Vasileiadis A, Klerk NJJD, Smith RB et al. Vers des performances optimales et une compr\u00e9hension approfondie des \u00e9lectrodes spinelle Li4Ti5O12 gr\u00e2ce \u00e0 la mod\u00e9lisation du champ de phase [J]. Mat\u00e9riaux fonctionnels avanc\u00e9s, 2018.<\/div>\n
[6] Herzmann C, G\u00fcnther G, Eker B et al. Mod\u00e9lisation tridimensionnelle par \u00e9l\u00e9ments thermiques finis des batteries lithium-ion dans les applications d'abus thermiques [J]. Journal of Power Sources, 2010, 195 (8): 2393-2398.<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

In recent decades, lithium-ion batteries have attracted attention in the field of energy materials. At the same time, with the development of basic theory and computer field, many computational simulation methods have been applied in the research of lithium-ion batteries. Due to errors in the experimental process, microscopic scales, such as the growth mechanism of…<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[79],"tags":[],"class_list":["post-1804","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-materials-weekly"],"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1804","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1804"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1804\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1804"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1804"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1804"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}