{"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\/es\/the-commonly-used-analog-calculation-method-in-the-field-of-lithium\/","title":{"rendered":"El m\u00e9todo de c\u00e1lculo anal\u00f3gico com\u00fanmente utilizado en el campo del litio."},"content":{"rendered":"
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En las \u00faltimas d\u00e9cadas, las bater\u00edas de iones de litio han llamado la atenci\u00f3n en el campo de los materiales energ\u00e9ticos. Al mismo tiempo, con el desarrollo de la teor\u00eda b\u00e1sica y el campo inform\u00e1tico, se han aplicado muchos m\u00e9todos de simulaci\u00f3n computacional en la investigaci\u00f3n de bater\u00edas de iones de litio. Debido a errores en el proceso experimental, escalas microsc\u00f3picas, como el mecanismo de crecimiento de las membranas SEI, la din\u00e1mica de difusi\u00f3n de iones en los materiales de los electrodos, la evoluci\u00f3n de las estructuras durante la carga y descarga de los materiales de los electrodos, la relaci\u00f3n entre el potencial y la estructura, y la La distribuci\u00f3n de las capas de carga espacial no se puede resolver. Conclusiones intuitivas, los m\u00e9todos experimentales no pueden dar una explicaci\u00f3n te\u00f3rica clara. En contraste, los m\u00e9todos de simulaci\u00f3n computacional tienen ventajas relativas para comprender la evoluci\u00f3n de la qu\u00edmica interna y la electroqu\u00edmica de las bater\u00edas de iones de litio. Los c\u00e1lculos te\u00f3ricos verifican los resultados experimentales de los materiales de la bater\u00eda de iones de litio, y tambi\u00e9n promueven y gu\u00edan el desarrollo de los materiales de la bater\u00eda. A continuaci\u00f3n presentamos varios m\u00e9todos de c\u00e1lculo anal\u00f3gico de uso com\u00fan y sus aplicaciones en bater\u00edas de iones de litio.<\/div>\n

Aplicaci\u00f3n de la teor\u00eda funcional de la densidad.<\/h2>\n
La teor\u00eda funcional de la densidad se ha utilizado ampliamente en la investigaci\u00f3n de bater\u00edas de iones de litio. Se usa com\u00fanmente para calcular la estabilidad estructural, el potencial de inserci\u00f3n de litio, la estructura electr\u00f3nica, la banda de energ\u00eda, la estructura de relajaci\u00f3n, la energ\u00eda de generaci\u00f3n de defectos, la ruta de migraci\u00f3n, la energ\u00eda de activaci\u00f3n y el litio. Propiedades como la cin\u00e9tica del transporte de iones y la desintercalaci\u00f3n de las transiciones de fase de litio.<\/div>\n
El valor de voltaje de la bater\u00eda es un par\u00e1metro asociado con un cambio en la energ\u00eda libre de la reacci\u00f3n de la bater\u00eda. Los diferentes materiales tienen un potencial de inserci\u00f3n de litio inherente. Idealmente, el material del electrodo tiene un potencial m\u00e1s alto para el electrodo positivo, un potencial m\u00e1s bajo para el electrodo negativo y una diferencia de potencial entre los diferentes electrodos. La potencia de la bater\u00eda de iones de litio se puede calcular de acuerdo con la respuesta de la bater\u00eda: (la potencia de 1 mol de electrones se expresa por F, y la potencia de un electr\u00f3n es<\/div>\n
1.602 \u00d7 10\u221219 C) F = NA \u00b7 e\u2212 = 96487.56 C \/ mol<\/div>\n
Sea n el n\u00famero de cargas transferidas durante la reacci\u00f3n de la bater\u00eda, luego la bater\u00eda a trav\u00e9s de la bater\u00eda es nF, el trabajo el\u00e9ctrico m\u00e1ximo realizado por la bater\u00eda es:<\/div>\n
\u2212Wr '= nFVAVE<\/div>\n
Bajo condiciones isost\u00e1ticas isot\u00e9rmicas, la energ\u00eda libre de Gibbs del sistema es igual al trabajo realizado por el sistema para el mundo exterior:<\/div>\n
\u0394G = \u2212Wr '<\/div>\n
\u0394G = nFVAVE \uff0c Y debido a que Li + tiene una unidad de carga, VAVE = \u0394G \/ F<\/div>\n
\u0394G es la energ\u00eda libre de Gibbs de la reacci\u00f3n de la bater\u00eda, suponiendo que el cambio en el volumen y la entrop\u00eda causados por la reacci\u00f3n de incrustaci\u00f3n celular es insignificante, entonces<\/div>\n
\u0394G\u2248\u0394E<\/div>\n
entonces: VAVE = \u0394E \/ F<\/div>\n
Para un sistema de bater\u00eda en el que el electrodo positivo es LiA y el electrodo negativo es B, se supone que x litio se elimina de LiA y se incrusta en B despu\u00e9s de la carga (proceso de carga positiva), y la f\u00f3rmula de reacci\u00f3n es:<\/div>\n
LiA + B \u2192 Li1 \u2212 xA + LixB<\/div>\n
El voltaje promedio de este proceso es la diferencia entre la energ\u00eda de cada estado final correspondiente de litio (Li1 \u2212 xA, LixB) y el estado inicial (LiA, B), luego el voltaje:<\/div>\n
V = [E (Li1 \u2212 xA) + E (LixB) \u2212E (LiA) \u2212E (B)] \/ xe<\/div>\n
Cuando el electrodo negativo es litio met\u00e1lico, se puede simplificar como:<\/div>\n
V = [E (Li1 \u2212 xA) + E (Lix) \u2212E (LiA)] \/ xe<\/div>\n
Al calcular la energ\u00eda total de cada sustancia antes y despu\u00e9s de la reacci\u00f3n, el potencial del electrodo se puede calcular de acuerdo con la f\u00f3rmula anterior. Sin embargo, para casi todos los materiales cat\u00f3dicos, el voltaje calculado por la teor\u00eda funcional de la densidad es bajo. Al aplicar una correcci\u00f3n + U al GGA est\u00e1ndar, es decir, al m\u00e9todo GGA + U, o al usar el HSE06 funcional h\u00edbrido, se puede obtener un voltaje m\u00e1s cercano al valor experimental. En el c\u00e1lculo de los materiales de c\u00e1todos de \u00f3xido que contienen iones de metales de transici\u00f3n 3d, el fuerte efecto de correlaci\u00f3n se ha reconocido como un efecto a considerar.<\/div>\n

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Figura 1: GGA est\u00e1ndar y GGA + U, HSE06 Calcular varios iones de litio<\/div>\n

M\u00e9todo de din\u00e1mica molecular<\/h2>\n
El c\u00e1lculo de los primeros principios basado en la densidad funcional puede obtener las propiedades del material en el estado fundamental de temperatura cero. El transporte de \u00e1tomos e iones en el material puede estudiarse mediante simulaci\u00f3n de din\u00e1mica molecular a temperatura finita. El c\u00e1lculo de la din\u00e1mica molecular se utiliza como un m\u00e9todo de simulaci\u00f3n a nivel at\u00f3mico que utiliza la funci\u00f3n de potencial emp\u00edrico. En comparaci\u00f3n con el m\u00e9todo de los primeros principios, puede realizar una simulaci\u00f3n a mayor escala, que puede mostrar mejor el proceso de difusi\u00f3n din\u00e1mica de iones de litio y analizarlo.<\/div>\n
La din\u00e1mica molecular puede simular la evoluci\u00f3n de las part\u00edculas del sistema a lo largo del tiempo, observar el camino de la migraci\u00f3n de iones, calcular el coeficiente de difusi\u00f3n de las part\u00edculas y la estabilidad de los materiales, pero la ley del movimiento de part\u00edculas es la mec\u00e1nica newtoniana y la existencia de part\u00edculas de baja calidad. como el hidr\u00f3geno y el helio El efecto de c\u00e1lculo del efecto cu\u00e1ntico no es ideal. En t\u00e9rminos de bater\u00edas de iones de litio, la din\u00e1mica molecular puede obtener el coeficiente de difusi\u00f3n y la ruta de migraci\u00f3n de los iones en los materiales, lo que nos brinda la posibilidad de comprender el mecanismo de difusi\u00f3n de los iones en los materiales.<\/div>\n
Yang calcul\u00f3 el proceso de autodifusi\u00f3n de LiFePO4 y descubri\u00f3 que la migraci\u00f3n de Li + en el material no ocurre continuamente, sino que ocurre a trav\u00e9s de la transici\u00f3n entre las posiciones de red adyacentes. En 2014, Zhang Jungan y otros de la Universidad de Shanghai utilizaron la din\u00e1mica molecular para simular el comportamiento de difusi\u00f3n de los iones de litio entre las capas de grafito durante la carga. Se estudiaron las propiedades de difusi\u00f3n de iones de litio de los materiales de \u00e1nodo de grafito a 300 K. Los resultados experimentales proporcionan datos b\u00e1sicos para el estudio del modelo a escala continua de la deformaci\u00f3n del electrodo de la bater\u00eda de iones de litio.<\/div>\n

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Figura 2: La simulaci\u00f3n de din\u00e1mica molecular muestra (a) la trayectoria de los iones Li en LiFePO4; (b) la migraci\u00f3n de iones de Li entre los canales a trav\u00e9s de defectos de ocupaci\u00f3n mutua de Li \/ Fe<\/div>\n

Modelo de campo de fase<\/h2>\n
El m\u00e9todo de campo de fase se basa en la teor\u00eda de Ginzburg-Landau. La ecuaci\u00f3n diferencial se usa para representar la difusi\u00f3n, el potencial de ordenamiento y el impulso termodin\u00e1mico de un mecanismo f\u00edsico espec\u00edfico. Las ecuaciones anteriores se resuelven mediante programaci\u00f3n inform\u00e1tica. Estudie el estado instant\u00e1neo del sistema en el tiempo y el espacio. El modelo de campo de fase se basa en los principios fundamentales de la termodin\u00e1mica y la din\u00e1mica y es una herramienta poderosa para predecir la evoluci\u00f3n de las microestructuras durante las transiciones de fase de estado s\u00f3lido.<\/div>\n
El modelo de campo de fase puede simular el crecimiento de cristales, la transformaci\u00f3n de fase s\u00f3lida, la evoluci\u00f3n de grietas, la transici\u00f3n de fase de pel\u00edcula, la migraci\u00f3n de iones en la interfaz, etc., pero los resultados de la simulaci\u00f3n son la falta de comparaci\u00f3n cuantitativa con la observaci\u00f3n del tiempo. El grosor de la interfaz generalmente se establece m\u00e1s grande que la situaci\u00f3n real. , lo que lleva a la falta de detalles. Marnix Wagemaker (autor correspondiente) de la Universidad Tecnol\u00f3gica de Delft en los Pa\u00edses Bajos public\u00f3 un art\u00edculo en la revista Adv.Funct.Mater. en 2018 para proponer un modelo de campo de fase termodin\u00e1mica para la inserci\u00f3n de iones de litio en la espinela Li4Ti5O12, integrando datos DFT. La capacidad de describir el comportamiento termodin\u00e1mico completo de las part\u00edculas separadas por fases proporciona una direcci\u00f3n espec\u00edfica para dise\u00f1ar el electrodo Li4Ti5O12 de mejor rendimiento.<\/div>\n

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Figura 3: simulaci\u00f3n de part\u00edculas individuales LTO, la relaci\u00f3n entre la capacidad de la bater\u00eda y la capacidad de descarga nominal y el grosor del electrodo bajo simulaci\u00f3n de electrodo poroso<\/div>\n

M\u00e9todo de elementos finitos<\/h2>\n
El m\u00e9todo de elementos finitos es una t\u00e9cnica num\u00e9rica para resolver la soluci\u00f3n aproximada del problema del valor l\u00edmite de las ecuaciones diferenciales parciales. El flujo de la simulaci\u00f3n del m\u00e9todo de elementos finitos es el siguiente: 1. Discretizaci\u00f3n del \u00e1rea del problema de soluci\u00f3n 2. Determine la variable de estado y el m\u00e9todo de control variable de la regi\u00f3n, es decir, la ecuaci\u00f3n de evoluci\u00f3n del espacio de tiempo variable; 3. Derive la unidad individual, ensamble la unidad. La soluci\u00f3n general se resuelve, y finalmente se resuelven las ecuaciones simult\u00e1neas y se obtienen los resultados.<\/div>\n
Para comprender mejor el comportamiento de sobrecalentamiento de las bater\u00edas de iones de litio de gran capacidad y alta potencia para veh\u00edculos el\u00e9ctricos, Cao Binggang de la Universidad Xi'an Jiaotong utiliz\u00f3 un m\u00e9todo de elementos finitos para simular la temperatura interna de la bater\u00eda al considerar la resistencia interna, convecci\u00f3n y disipaci\u00f3n externa. La distribuci\u00f3n espacial, los resultados de la simulaci\u00f3n de distribuci\u00f3n de temperatura de la celda de prueba en un horno caliente de 155 \u00b0 C y la composici\u00f3n de la bater\u00eda de VLP50 \/ 62 \/ 100S-Fe (3.2 V \/ 55 A \u00b7 h) LiFePO4 \/ grafito.<\/div>\n

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Figura 4: Distribuci\u00f3n de simulaciones de elementos finitos en la celda a 155 \u00b0 C, 1200 sy 3600 s<\/div>\n
Las simulaciones de materiales macrosc\u00f3picos, como los modelos de campo de fase y los m\u00e9todos de elementos finitos, se centran en cuestiones de ingenier\u00eda y ayudan a comprender fen\u00f3menos macrosc\u00f3picos como el estr\u00e9s, la transferencia de calor, el flujo y el acoplamiento multicampo en bater\u00edas de iones de litio. El c\u00e1lculo de los primeros principios basado en la teor\u00eda funcional de la densidad es m\u00e1s propicio para las propiedades microf\u00edsicas, como la energ\u00eda y la estructura electr\u00f3nica del sistema de materiales.<\/div>\n
Con el desarrollo de la teor\u00eda y la amplia aplicaci\u00f3n de la simulaci\u00f3n por computadora, la ciencia de los materiales computacionales dirigir\u00e1 y verificar\u00e1 la ciencia de los materiales experimentales. El c\u00e1lculo de la escala macrosc\u00f3pica a la teor\u00eda microsc\u00f3pica promover\u00e1 en gran medida el desarrollo del campo de materiales, para bater\u00edas de iones de litio. En t\u00e9rminos de los muchos problemas en la ciencia experimental, con la ayuda de simulaciones computacionales, tambi\u00e9n ser\u00e1 una explicaci\u00f3n te\u00f3rica clara. La comprensi\u00f3n de los m\u00e9todos de simulaci\u00f3n computacional para bater\u00edas de iones de litio acelerar\u00e1 el desarrollo y la aplicaci\u00f3n de materiales de bater\u00edas de iones de litio.<\/div>\n
Referencia:<\/div>\n
[1] Huang Jie, Ling Shigang, Wang Xuelong, et al. Problema de ciencia b\u00e1sica de la bater\u00eda de iones de litio (XIV) \u2014\u2014 M\u00e9todo de c\u00e1lculo [J]. Energy Storage Science and Technology, 2015, 4 (2): 215-230.<\/div>\n
[2] Ji Xiang, Song Yicheng, Zhang Jungan. Simulaci\u00f3n de din\u00e1mica molecular de las propiedades de difusi\u00f3n de Li_xC_6 en bater\u00edas de iones de litio [J]. Revista de la Universidad de Shanghai (Ciencias Naturales), 2014 (1): 68-74.<\/div>\n
[3] Shi Siqi (Sisi Qi). Estudio de primeros principios de materiales cat\u00f3dicos para bater\u00edas de iones de litio [D]. Beijing: Instituto de F\u00edsica Academia de Ciencias de China, 2004. [4] Yang JJ, Tse J S. Li mecanismos de difusi\u00f3n de iones en LiFePO4: Un estudio de din\u00e1mica molecular abinitio [J]. J. Phys. Chem A \uff0c 2011\uff0c115 \uff0845\uff09 \uff1a 13045-13049.<\/div>\n
[5] Vasileiadis A, Klerk NJJD, Smith RB, y col. Hacia un rendimiento \u00f3ptimo y una comprensi\u00f3n en profundidad de los electrodos Spinel Li4Ti5O12 a trav\u00e9s del modelado de campo de fase [J]. Materiales funcionales avanzados, 2018.<\/div>\n
[6] Herzmann C, G\u00fcnther G, Eker B y col. Modelado tridimensional de elementos finitos t\u00e9rmicos de bater\u00edas de iones de litio en aplicaciones de abuso t\u00e9rmico [J]. Journal of Power Sources, 2010, 195 (8): 2393-2398.<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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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":{"footnotes":""},"categories":[79],"tags":[],"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1804"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1804"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1804\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1804"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1804"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1804"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}