(57)【要約】      （修正有）【課題】導電剤がドープされたリチウムイオン電池正極材料の導電性能を模擬シミュレーションすることができる、リチウムイオン電池正極材料の調製処方の最適化に対する方法的なサポートの提供。【解決手段】正極材料モデルのパラメータを決定するステップと、正極材料モデル内の活物質粒子及び導電剤粒子の数を計算するステップと、活物質粒子及び導電剤粒子の空間位置をランダムに生成するステップと、粒子を設定された空間内に圧縮して正極材料モデルを構築するステップと、有限要素解析を用いて、所定電圧における正極材料モデルの電流密度分布を模擬計算するステップと、モデル直列関係を用いて、平均電流密度を計算し、導電率を計算するステップと、上記の過程を繰り返して電気伝導率の平均値を計算するステップと、を含むリチウムイオン電池正極材料導電性能シミュレーション生成方法。【選択図】図１
2020184536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
2020184536.tif 000041
設定されたシミュレーション空間のＮ倍の体積となる空間における活物質粒子及び導電剤粒子の位置分布をランダムに生成するステップＳ３と、
ステップＳ３でランダムに分布された活物質粒子及び導電剤粒子が位置する空間を、設定されたシミュレーション空間の大きさに圧縮することで、電気的シミュレーションに必要な正極材料シミュレーション入力モデルを構築するステップＳ４と、
ステップＳ４で構築された正極材料シミュレーション入力モデルを電気的解析モジュールに導入し、活物質及び導電剤の導電率を設定して、所定電圧における、構築された正極材料のチャネル効果の下での電流密度分布をシミュレーション計算するステップＳ５と、
ステップＳ５で得られた正極材料の電流密度分布に基づいて、Ｓ５で印加された所定電圧の平面のノード電流密度を得て、所定電圧の平面のノード電流密度の平均値を計算し、
2020184536.tif 000042
【請求項２】
前記正極材料は、導電剤がドープされたリチウムイオン電池正極材料であり、正極材料の構成成分は、活物質、導電剤及び結着剤を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン電池正極材料導電性能シミュレーション生成方法。
【請求項３】
ステップＳ１における前記パラメータ及びシミュレーション空間の大きさの設定は、具体的に、
2020184536.tif 000043
ことを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン電池正極材料導電性能シミュレーション生成方法。
【請求項４】
ステップＳ２における前記活物質粒子及び導電剤粒子の個数を決定する方法は、具体的に、
2020184536.tif 000044
2020184536.tif 000045
2020184536.tif 000046
ことを特徴とする請求項３に記載のリチウムイオン電池正極材料導電性能シミュレーション生成方法。
【請求項５】
ステップＳ３における前記位置分布をランダムに生成する方法は、具体的に、
前記シミュレーション空間を元に、ある方向にＮ倍延伸して、新しい空間を構築するステップＳ３１と、
ステップＳ２３で得られた活物質粒子及び導電剤粒子の個数に合わせて、全ての活物質粒子の空間位置をランダムに生成してから、全ての導電剤粒子の空間位置をランダムに生成するステップＳ３２と、
空間位置をランダムに生成する要求として、活物質粒子及び導電剤粒子の空間位置が全て空間内に存在しなければならないこと、及び、活物質粒子と導電剤粒子とは、何れの２つの間にも重なり部分がなく、空間内に均一に分布されることを規定するステップＳ３３と、
粒子の空間位置の生成方法として、先ず、０と１の間の乱数をランダムに３つ生成し、それぞれ、ステップＳ３１で構築された空間の３つの辺の長さ、幅又は高さを掛け、粒子の空間位置を得て、次に、Ｓ３３で規定された要求に応じて、生成された粒子の空間位置が要求を満たしているかどうかを判断し、満たしていない場合は、該空間位置を取り除いて乱数をランダムに再生成して、粒子の空間位置を生成し、満たしている場合は、
2020184536.tif 000047
ことを特徴とする請求項４に記載のリチウムイオン電池正極材料導電性能シミュレーション生成方法。
【請求項６】
ステップＳ４における前記圧縮の過程の具体的な条件は、
圧縮の過程として、シミュレーション空間内のＮ倍拡大された方向の空間をＮ分の一に縮小し、圧縮完了後、活物質粒子及び導電剤粒子は、ステップＳ１で設定されたシミュレーション空間に均一且つランダムに分布される条件Ｓ４１と、
圧縮中及び圧縮の過程終了後には、活物質粒子と導電剤粒子との間に重なり部分がないことを保証しなければならない条件Ｓ４２と、
圧縮の過程終了後、粒子の空間位置のみが変更され、粒子の幾何学的形状及び幾何学的寸法が変更されていない条件Ｓ４３と、
圧縮完了後に得られたモデルは、正極材料シミュレーション入力モデルとなる条件Ｓ４４と、を含む
ことを特徴とする請求項５に記載のリチウムイオン電池正極材料導電性能シミュレーション生成方法。
【請求項７】
ステップＳ５における構築された正極材料の導電率のシミュレーション計算は、
ステップＳ４における正極材料入力モデルをＡＢＡＱＵＳ／ＳＴＡＮＤＡＲＤの電気的シミュレーションに導入し、幾何学的形状が立方体をなすシミュレーション空間の一組の対応する表面に２つのフラットプレートを追加し、正極材料入力モデルと、追加された２つのフラットプレートとの両方によって正極材料モデルを構成するステップＳ５１と、
2020184536.tif 000048
２つの導電剤粒子の間の単位表面積あたりのコンダクタンスを計算するステップであって、導電剤粒子の間にチャネル効果があるため、２つの導電剤粒子の間の単位表面積あたりのコンダクタンスは、以下の単位面積あたりのコンダクタンス式によって計算可能であり、
2020184536.tif 000049
2020184536.tif 000050
ことを特徴とする請求項６に記載のリチウムイオン電池正極材料導電性能シミュレーション生成方法。
【請求項８】
ステップＳ６における前記直列関係とは、正極材料モデル内のＳ５１で設置された２つのフラットプレートと、Ｓ４で求められた正極材料シミュレーション入力モデルとが直列関係にあることを意味する
ことを特徴とする請求項７に記載のリチウムイオン電池正極材料導電性能シミュレーション生成方法。
【請求項９】
2020184536.tif 000051
2020184536.tif 000052
ことを特徴とする請求項７に記載のリチウムイオン電池正極材料導電性能シミュレーション生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン電池性能シミュレーション解析の技術分野に関し、特に、リチウムイオン電池正極材料導電性能シミュレーション生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池正極材料は、リチウムイオン電池の重要な構成部分であり、正極材料の導電性能の優劣は、電池の持続力及び出力パワーに直接影響している。正極材料の主要構成成分は、活物質、導電剤及び結着剤である。現在、ＬｉＦｅＰＯ４を主とした活物質は、電気自動車や高負荷レベルの大型電池に最も広く使用されており、しかも、ＬｉＦｅＰＯ４は、自然界にトリフィライトの形で存在し、その構造が安定し、資源として豊富で、安全性能が良好である。しかし、ＬｉＦｅＰＯ４等の活物質の特性により、その電子伝導率及びリチウムイオン拡散率が非常に低いため、調製中には、例えばカーボンブラックなどの導電剤を適量に加えることで、その導電性能を改善する必要がある。導電剤ドープ割合の違いによって、正極材料の電性能の優劣が直接決められる。従って、異なるドープ割合での正極材料の導電性能を定量的に特定するための適切なモデルを構築する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
現在、導電剤をドープした後の正極材料の電性能の研究は、主に理論及び実験面にある。理論研究モデルは非常に少なく、殆どの理論モデルには、多くの特定の制約条件が含まれており、指導材料の調製に向いていない。一方、実験面では、主に、様々な質量分率の導電剤をドープすることによる大量の反復実験をしており、周期が長く、コストが高い。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するために、本発明は、導電剤の間のチャネル効果の原理に基づき、導電剤がランダム且つ均一に活物質の間に分布していると仮定して、空間位置をランダムに生成する方法に従って、モデルの直列関係と有限要素解析とを組み合わせた方法を用いて、異なるドープ割合での正極材料の電気伝導率をシミュレーション計算するリチウムイオン電池正極材料導電性能シミュレーション生成方法を提供している。
【０００５】
2020184536.tif 000003
設定されたシミュレーション空間のＮ倍の体積となる空間における活物質粒子及び導電剤粒子の位置分布をランダムに生成するステップＳ３と、
ステップＳ３でランダムに分布された活物質粒子及び導電剤粒子が位置する空間を、設定されたシミュレーション空間の大きさに圧縮することで、電気的シミュレーションに必要な正極材料シミュレーション入力モデルを構築するステップＳ４と、
ステップＳ４で構築された正極材料シミュレーション入力モデルを電気的解析モジュールに導入し、活物質及び導電剤の導電率を設定して、所定電圧における、構築された正極材料のチャネル効果の下での電流密度分布をシミュレーション計算するステップＳ５と、
ステップＳ５で得られた正極材料の電流密度分布に基づいて、Ｓ５で印加された所定電圧の平面のノード電流密度を得て、所定電圧の平面のノード電流密度の平均値を計算し、
2020184536.tif 000004
そのうち、Ｉは正極材料を流れる電流、Ｕは正極材料の両端に印加された電圧、Ｌは正極材料の長さ、Ｓは正極材料の断面積であるステップＳ６と、
2020184536.tif 000005
【０００６】
好ましくは、前記正極材料は、導電剤がドープされたリチウムイオン電池正極材料であり、正極材料の構成成分は、活物質、導電剤及び結着剤を含む。
【０００７】
2020184536.tif 000006
シミュレーション空間全体の体積に対する全ての材料の体積のパーセンテージである空孔率ｐを５０％に設定するステップＳ１３と、
2020184536.tif 000007
【０００８】
好ましくは、ステップＳ２における前記活物質粒子及び導電剤粒子の個数を決定する方法は、具体的に、
2020184536.tif 000008
2020184536.tif 000009
【０００９】
好ましくは、ステップＳ３における前記位置分布をランダムに生成する方法は、具体的に、
前記シミュレーション空間を元に、ある方向にＮ倍延伸して、新しい空間を構築するステップＳ３１と、
ステップＳ２３で得られた活物質粒子及び導電剤粒子の個数に合わせて、全ての活物質粒子の空間位置をランダムに生成してから、全ての導電剤粒子の空間位置をランダムに生成するステップＳ３２と、
空間位置をランダムに生成する要求として、活物質粒子及び導電剤粒子の空間位置が全て空間内に存在しなければならないこと、及び、活物質粒子と導電剤粒子とは、何れの２つの間にも重なり部分がなく、空間内に均一に分布されることを規定するステップＳ３３と、
粒子の空間位置の生成方法として、先ず、０と１の間の乱数をランダムに３つ生成し、それぞれ、ステップＳ３１で構築された空間の３つの辺の長さ、幅又は高さを掛け、粒子の空間位置を得て、次に、Ｓ３３で規定された要求に応じて、生成された粒子の空間位置が要求を満たしているかどうかを判断し、満たしていない場合は、該空間位置を取り除いて乱数をランダムに再生成して、粒子の空間位置を生成し、満たしている場合は、
2020184536.tif 000010
【００１０】
好ましくは、ステップＳ４における前記圧縮の過程の具体的な条件は、
圧縮の過程として、シミュレーション空間内のＮ倍拡大された方向の空間をＮ分の一に縮小し、圧縮完了後、活物質粒子及び導電剤粒子は、ステップＳ１で設定されたシミュレーション空間に均一且つランダムに分布される条件Ｓ４１と、
圧縮中及び圧縮の過程終了後には、活物質粒子と導電剤粒子との間に重なり部分がないことを保証しなければならない条件Ｓ４２と、
圧縮の過程終了後、粒子の空間位置のみが変更され、粒子の幾何学的形状及び幾何学的寸法が変更されていない条件Ｓ４３と、
圧縮完了後に得られたモデルは、正極材料シミュレーション入力モデルとなる条件Ｓ４４と、を含む。
【００１１】
好ましくは、ステップＳ５における構築された正極材料の導電率のシミュレーション計算は、
ステップＳ４における正極材料入力モデルをＡＢＡＱＵＳ／ＳＴＡＮＤＡＲＤの電気的シミュレーションに導入し、幾何学的形状が立方体をなすシミュレーション空間の一組の対応する表面に２つのフラットプレートを追加し、正極材料入力モデルと、追加された２つのフラットプレートとの両方によって正極材料モデルを構成するステップＳ５１と、
2020184536.tif 000011
２つの導電剤粒子の間の単位表面積あたりのコンダクタンスを計算するステップであって、導電剤粒子の間にチャネル効果があるため、２つの導電剤粒子の間の単位表面積あたりのコンダクタンスは、以下の単位面積あたりのコンダクタンス式によって計算可能であり、
2020184536.tif 000012
【００１２】
好ましくは、ステップＳ６における前記直列関係とは、正極材料モデル内のＳ５１で設置された２つのフラットプレートと、Ｓ４で求められた正極材料シミュレーション入力モデルとが直列関係にあることを意味する。
【００１３】
2020184536.tif 000013
2020184536.tif 000014
【００１４】
従来技術に比べて、本発明の有益な効果は、以下の通りである。
本発明は、理論モデル及び実験測定に比較して明らかな利点を持つリチウムイオン電池正極材料導電性能シミュレーション生成方法を提供し、普遍的な理論原理及び既存の実験現象に基づいて、ひとまとまりのシミュレーションモデルを確立している。理論研究モデルに比べて、本発明は、より一般的な指導作用を奏し、実験現象によりフィットするとともに、本発明は、殆どの理論モデルに含まれる多くの特定の制約条件を持たず、指導材料の調製により適している。大量の実験よりも、本発明は、コストが低く周期が短く、大量の反復実験試行を必要とせず、リチウムイオン電池正極材料の最適化に、方法的なサポートを提供している。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明によるリチウムイオン電池正極材料導電性能シミュレーション生成方法のフローチャートである。
【図２】本発明による実施例におけるステップ３で生成された粒子位置分布図である。
【図３】本発明による実施例におけるステップ３で生成された粒子位置データから一部を抽出した図である。
【図４】本発明による実施例におけるステップ４で圧縮を完了した後の粒子分布図である。
【図５】本発明による実施例におけるステップ５でシミュレーション計算して得られた正極材料の電流密度分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の例示的な実施例、特徴及び態様を詳しく説明する。実施例には、実施例の様々なパラメータの値及び態様が示されているが、特段の説明がない限り、まったく同じパラメータ及び態様でシミュレーションの流れを遂行する必要はない。
【００１７】
本発明に係るリチウムイオン電池正極材料導電性能シミュレーション生成方法は、図１に示すように、以下のステップ１〜７を含む。
【００１８】
2020184536.tif 000015
【００１９】
このステップでは、好ましい実施例に係る技術案として、パラメータ及びシミュレーション空間の大きさについては、以下のａ〜ｄの通りである。
【００２０】
2020184536.tif 000016
【００２１】
2020184536.tif 000017
【００２２】
2020184536.tif 000018
【００２３】
2020184536.tif 000019
【００２４】
ステップ２は、活物質及び導電剤の密度を使用し、ステップ１で設定された導電剤ドープ割合、材料空孔率から、設定されたシミュレーション空間及び内部材料寸法の条件の下での活物質粒子及び導電剤粒子の個数を計算する。
【００２５】
このステップでは、活物質粒子及び導電剤粒子の個数の具体的な計算方法は、以下のサブステップａ〜ｃの通りである。
【００２６】
2020184536.tif 000020
【００２７】
2020184536.tif 000021
【００２８】
2020184536.tif 000022
【００２９】
2020184536.tif 000023
【００３０】
サブステップｃは、ステップ１で設定された活物質粒子の直径及び導電剤粒子の直径を用いて、単一の活物質粒子の体積及び単一の導電剤粒子の体積を計算し、ステップ２のサブステップｂにおける活物質が占める空間の体積、及び、導電剤が占める空間の体積を用いて、活物質が占める空間の総体積を単一の活物質粒子の体積で割ってから丸めることで
2020184536.tif 000024
【００３１】
ステップ３は、設定されたシミュレーション空間のＮ倍の体積での活物質粒子及び導電剤粒子の位置分布をランダムに生成する。
【００３２】
このステップでは、位置分布をランダムに生成する方法は、以下のサブステップａからｄを含む。
【００３３】
サブステップａは、定義されたシミュレーション空間を元に、ある方向にＮ倍延伸して、新しい空間を構築する。
【００３４】
サブステップｂは、ステップ２で得られた活物質粒子及び導電剤粒子の個数に合わせて、全ての活物質粒子の空間位置をランダムに生成してから、全ての導電剤粒子の空間位置をランダムに生成する。
【００３５】
サブステップｃは、空間位置をランダムに生成する要求として、活物質粒子及び導電剤粒子の空間位置が全て空間内に存在しなければならず、何れの一部も空間から外れてはいけないこと、及び、活物質粒子と導電剤粒子とは、何れの２つの間にも重なり部分がなく、空間内に均一に分布されることを規定する。
【００３６】
2020184536.tif 000025
【００３７】
ステップ４は、ランダムに分布された活物質粒子及び導電剤粒子が位置する空間を、設定されたシミュレーション空間の大きさに圧縮することで、電気的シミュレーションに必要な正極材料シミュレーション入力モデルを構築する。
【００３８】
このステップでは、圧縮の過程の具体的な条件は、条件ａ〜ｄを含む。
ａ、圧縮の過程として、シミュレーション空間内のＮ倍拡大された方向の空間をＮ分の一に縮小し、圧縮完了後、活物質粒子及び導電剤粒子は、ステップ１で設定されたシミュレーション空間に均一且つランダムに分布される。
ｂ、圧縮中及び圧縮の過程終了後には、活物質粒子と導電剤粒子との間に重なり部分がないことを保証しなければならない。
ｃ、圧縮の過程終了後、粒子の空間位置のみが変更され、粒子の幾何学的形状及び幾何学的寸法が変更されていない。
ｄ、圧縮完了後に得られたモデルは、正極材料シミュレーション入力モデルとなる。
【００３９】
ステップ５は、構築された正極材料入力モデルをＡＢＡＱＵＳ／ＳＴＡＮＤＡＲＤの電気的解析モジュールに導入し、活物質及び導電剤の導電率を設定して、所定電圧における、構築された正極材料のチャネル効果原理の下での電流密度分布をシミュレーション計算する。
【００４０】
構築された正極材料の導電率のシミュレーション計算は、具体的に、以下のサブステップａ〜ｅを含む。
【００４１】
サブステップａは、ステップ４における正極材料入力モデルをＡＢＡＱＵＳ／ＳＴＡＮＤＡＲＤの電気的シミュレーションに導入し、幾何学的形状が立方体をなすシミュレーション空間の一組の対応する表面に２つのフラットプレートを追加し、正極材料入力モデルと、追加された２つのフラットプレートとの両方によって正極材料モデルを構築する。
【００４２】
2020184536.tif 000026
【００４３】
サブステップｃは、２つの導電剤粒子の間の単位表面積あたりのコンダクタンスを計算する。導電剤粒子の間にチャネル効果があり、即ちコンダクタンスが存在するため、それは、単位面積あたりのコンダクタンス式によって計算可能であり、
2020184536.tif 000027
【００４４】
2020184536.tif 000028
【００４５】
2020184536.tif 000029
【００４６】
2020184536.tif 000030
【００４７】
ステップ６における直列関係とは、正極材料モデル内のステップ５で設置された２つのフラットプレートと、ステップ４で求められた正極材料シミュレーション入力モデルとが直列関係にあることを意味する。
【００４８】
2020184536.tif 000031
【００４９】
2020184536.tif 000032
【００５０】
2020184536.tif 000033
【００５１】
2020184536.tif 000034
そのうち、正極材料は導電剤がドープされたリチウムイオン電池正極材料、正極材料の構成成分は活物質、導電剤及び結着剤である。
実施例
【００５２】
以下、リチウムイオン電池正極材料導電性能シミュレーションの具体的な事例を挙げて本発明を更に詳しく説明する、図１は、リチウムイオン電池正極材料導電性能シミュレーション生成方法を示しており、その具体的な実施形態は、以下のステップ1〜７の通りである。
【００５３】
2020184536.tif 000035
【００５４】
2020184536.tif 000036
【００５５】
ステップ３は、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）プロクラムの乱数機能を用いて、ステップ２で得られた活物質粒子及び導電剤粒子の個数に合わせて、設定されたシミュレーション空間の３倍の体積での活物質及び導電剤粒子の位置分布をランダムに生成した。３倍拡大された方向はｚ方向とした。生成された粒子位置分布図を図２に示す。生成された粒子位置データの一部を図３に示す。図３において、それぞれの列は、１つ粒子を表し、先頭の３つの数値は、粒子のｘ、ｙ、ｚ座標を表し、４番目の数値は、粒子の直径を表す。粒子の直径の違いにより、粒子が活物質粒子であるか、それもと導電剤粒子であるかを判断することができる。
【００５６】
ステップ４は、ＰＹＴＨＯＮプロクラムを用いて、ステップ３で生成されたランダム位置データを有限要素解析ソフトウェアＡＢＡＱＵＡに入力し、ＡＢＡＱＵＳ／ＥＸＰＬＩＣＩＴ解析モジュールを用いて、ランダムに分布された粒子が位置する空間内のｚ方向の空間を三分の一に圧縮することで、電気的シミュレーションに必要な正極材料入力モデルを構築した。圧縮完了後の粒子分布図を図４に示す。
【００５７】
2020184536.tif 000037
【００５８】
シミュレーション計算を経て得られた正極材料の電流密度分布を図５に示す。図５には、導電剤粒子の電流分布状況を直観的に示すために、活物質粒子の図示を一部省略し、比較用に２つだけ残している。
【００５９】
2020184536.tif 000038
【００６０】
2020184536.tif 000039
【００６１】
2020184536.tif 000040
【００６２】
最後に説明すべきなのは、以記の各実施例は、本発明の技術案を説明するためのものに過ぎず、本発明を制限するものではない。上記実施例を参照して本発明を詳しく説明したが、当業者であれば、上記実施例に記載の技術案又はパラメータを更に修正したり、そのうちの一部或全部の技術的特徴を同等に置き換えたりすることが可能であり、これらの修正や置き換えをしても、該当の技術案の本質が本発明の各実施例の技術案の範囲から逸脱しないことを理解すべきである。
【図１】
2020184536.tif 000053
【図２】
2020184536.tif 000054
【図３】
2020184536.tif 000055
【図４】
2020184536.tif 000056
【図５】
2020184536.tif 000057
【外国語明細書】
2020184536000001.pdf