近几十年来，锂离子电池在动力资料范畴备受瞩目。与此一起，跟着根底理论与核算机范畴的开展前进，许多核算模仿的办法被运用在锂离子电池的研讨。因为试验进程存在差错，微观标准方面，如SEI膜的成长机制、电极资猜中离子的分散动力学特性、电极资料充放电进程中结构的演化、电位与结构的联络、空间电荷层散布等问题不能直观得出结论，试验手法并不能给出清晰的理论解说。与此比较，核算模仿的办法在了解锂离子电池的内部化学与电化学的演化进程上具有相对的优越性。理论核算模仿验证了锂离子电池资料的试验成果，一起也促进并辅导了电池资料的开展。以下咱们就几种介绍常用的模仿核算办法，以及他们在锂离子电池方面的运用。

　　密度泛函理论在锂离子电池研讨中有着广泛的运用，常用于核算电极资料的结构稳定性、嵌锂电位、电子结构、能带、弛豫结构、缺点生成能、搬迁途径、活化能及锂离子传输动力学和脱嵌锂相变等性质。

　　电池的电压值是与电池反响的自由能改变相联络的参量。不同资料具有固有的嵌锂电位。电极资料抱负状况正极具有更高的电位，负极具有更低的电位，不同电极之间存在电势差。锂离子电池电量可按电池反响核算：(1  mol 电子电量以F 表明，一个电子e的电量为1.602×1019 C)

　　G 是电池反响的吉布斯自由能，假定由电池嵌入反响引起的体积和熵的改变可忽略不计，则

　　关于正极为LiA，负极为B 的电池体系，假定充电后有x 个锂从LiA 中脱出并嵌入到B 中(正极充电进程)，其反响式为：

　　这一进程的均匀电压为每个锂对应的末态(Li1xA，LixB)与初态(LiA，B)的能量之差，则电压：

　　经过核算反响前后的各物质的总能量，则可以依据上式核算电极电位。但简直对一切的正极资料，密度泛函理论核算得到的电压都偏低。经过对标准的GGA 进行+U  批改，也即GGA+U  的办法，或选用杂化泛函HSE06，可以得到与试验值更为挨近的电压。在含有3d过渡金属离子的氧化物正极资料核算中，强相关效应现已公认为需求考虑的效应。

　　根据密度泛函的第一性原理核算可以得到资料处于零温基态时的性质，在有限温度下资猜中原子、离子的输运可经过分子动力学模仿进行研讨。分子动力学核算作为选用经历势函数的原子级模仿手法，与第一性原理办法比较，可进行更大规划的模仿，能较好地展示锂离子动态分散进程并进行剖析。

　　分子动力学可以模仿体系粒子随时刻的演化，检查离子搬迁的途径，核算粒子的分散系数以及资料的稳定性，可是粒子运动的规则是牛顿力学，对质量较轻的粒子比方氢气和氦低温存在量子效应核算效果不抱负。锂离子电池方面，分子动力学可以取得资猜中离子的分散系数和搬迁途径，为咱们了解资猜中离子的分散机制供给了或许。

　　Yang 等经过核算LiFePO4  的自分散进程，发现该资猜中Li+的搬迁并不是接连产生的，而是经过相邻晶格方位之间逐步推动的跃迁产生的。2014年上海大学张俊乾等人选用分子动力学办法，模仿充电进程中锂离子在石墨层间的分散行为。研讨了300  K温度下石墨阳极资料的锂离子分散性质，试验成果为锂离子电池电极变形的接连标准模型研讨供给了根底数据。

　　相场法(Phase field method)  是以Ginzburg-Landau理论为物理根底，经过微分方程来表现具有特定物理机制的分散、有序化势和热力学驱动的归纳效果，经过核算机编程求解上述方程，然后获取研讨体系在时刻和空间上的瞬时状况。相场模型是以热力学和动力学基本原理为根底而建立起来的一个用于猜测固态相变进程中微结构演化的有力东西。

　　经过相场模型可以模仿晶体成长、固态相变、裂纹演化、薄膜相变、离子在界面处搬迁等，可是模仿成果短少和时刻观丈量的定量比较，核算时界面厚度的设定一般大于实际情况，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刺进到尖晶石Li4Ti5O12中的热力学相场模型，整合了DFT数据，可以对包含相别离颗粒的完好热力学行为进行描绘，为规划最佳功用的Li4Ti5O12电极供给了详细的方向。

　　有限元办法(finite element  method)是一种求解偏微分方程边值问题近似解的数值技能。有限元办法模仿的流程为：1.对求解问题区域离散化2.确认这个区域的状况变量和变量的操控办法，即变量时刻空间的演化方程;3.对单个单元进行推导，对由单元拼装起来的整体进行求解，最终联立方程组求解并取得成果。

　　为了更好地了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、外部耗散等条件下运用有限元办法模仿了电池作业时内部温度的空间散布，155  ℃热炉中测验电池的温度散布模仿成果和VLP50/62/100S-Fe(3.2 V/55 Ah)LiFePO4/石墨的电池复合。

　　相场模型及有限元法等微观标准的资料模仿着眼于工程范畴的问题，有助于了解锂离子电池中呈现的应力、传热、活动以及多场耦合等微观现象。根据密度泛函的第一性原理核算更利于得出资料体系的能量和电子结构等微观物理性质。

　　跟着理论的开展立异以及核算机模仿的广泛运用，核算资料学将会对试验资料学进行引领和验证，从微观标准到微观理论的核算都将极大的促进资料范畴的开展，对锂离子电池而言，试验科学中的许多问题在核算模仿的协助下也将会得出为清晰的理论解说。对锂离子电池核算模仿办法的了解将会加速锂离子电池资料的开发和运用。

　　[3]施思齐. 锂离子电池正极资料的第一性原理研讨[D]. 我国科学院物理研讨所, 2004.

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