计算机做电池模拟,探讨锂电领域常用模拟计算方法

近几十年来，锂离子电池在能源材料领域备受瞩目。与此同时，随着基础理论与计算机领域的发展进步，诸多计算模拟的方法被应用在锂离子电池的研究。由于实验过程存在误差，微观尺度方面，如SEI膜的生长机制、电极材料中离子的扩散动力学特性、电极材料充放电过程中结构的演变、电位与结构的关系、空间电荷层分布等问题不能直观得出结论，实验手段并不能给出明确的理论解释。与此相比，计算模拟的方法在理解锂离子电池的内部化学与电化学的演变过程上具有相对的优越性。理论计算模拟验证了锂离子电池材料的实验结果，同时也促进并指导了电池材料的发展。以下我们就几种介绍常用的模拟计算方法，以及他们在锂离子电池方面的应用。

密度泛函理论的应用

密度泛函理论在锂离子电池研究中有着广泛的应用，常用于计算电极材料的结构稳定性、嵌锂电位、电子结构、能带、弛豫结构、缺陷生成能、迁移路径、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应的自由能变化相联系的参量。不同材料具有固有的嵌锂电位。电极材料理想状态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应计算：(1mol电子电量以F表示，一个电子e?的电量为1.602×10?19C)

F=NA˙e=96487.56C/mol

设n为电池反应过程中转移的电荷数，则通过电池的电量为nF，电池所做最大电功为：

Wr'=nFVAVE

在等温等压条件下，体系的吉布斯自由能等于体系对外界所做的功：

ΔG=Wr'

ΔG=nFVAVE，又由于Li+带一个单位的电荷，因此VAVE=ΔG/F

ΔG是电池反应的吉布斯自由能