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专利号: 2024110856553
申请人: 南京源化新材料科技有限公司
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-11-18
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种锂离子电池负极多孔碳材料的性能评估方法,其特征在于,包括:获取锂离子电池负极的多孔碳材料;

对多孔碳材料进行物理性能测量,测量内容包括比表面积、总孔容、平均孔径和石墨化度;基于氮气吸附等温线和BET理论测量多孔碳材料的比表面积;基于毛细作用原理,测量多孔碳材料的总孔容;改进动态流体法测量多孔碳材料的平均孔径;基于拉曼光谱技术测量多孔碳材料的石墨化度;

对多孔碳材料进行电化学性能测试,采用电化学阻抗EIS测试多孔碳材料应用于锂离子电池负极时的电化学性能,通过电化学阻抗EIS测试得出多孔碳材料的欧姆电阻、电荷传递电阻、双电层电容以及扩散系数;

构建多孔碳材料的物理性能-电化学性能的二维矩阵,通过皮尔逊相关系数计算物理性能指标和电化学性能指标之间的相关性;

以多孔碳材料物理性能指标中的比表面积、总孔容、平均孔径和石墨化度以及电化学性能指标中的欧姆电阻、电荷传递电阻、双电层电容和扩散系数作为特征,创建一个的矩阵M,其中 为多孔碳材料的数量;

将多孔碳材料的物理性能指标和电化学性能指标填入矩阵M中:;

采用皮尔逊相关系数计算物理性能指标和电化学性能指标的相关性:;

其中, 和 分别表示第 个多孔碳材料的第 个物理性能指标和第 个电化学性能指标; 和 分别表示第 个物理性能指标和第 个电化学性能指标的均值;

构建多孔碳材料物化性能指标的雷达图,显示多孔碳材料的物理性能和电化学性能评分,根据雷达图面积评估多孔碳材料的综合性能;

将多孔碳材料物理性能中的比表面积、总孔容、平均孔径和石墨化度以及电化学中的欧姆电阻、电荷传递电阻、双电层电容和扩散系数进行标准化处理,将多孔碳材料的各个性能指标的数据统一到 区间内:;

其中, 为标准化后的多孔碳材料的第 项性能指标值, 为原始数据, 和分别为该指标的最小值和最大值;

以每项标准化的性能指标值为半径,绘制雷达图,雷达图中每个角度轴代表一项性能指标,连接各点形成封闭多边形;

计算雷达图围成的面积 : ;作为多孔碳材料综合性能

的定量评价指标。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极多孔碳材料的性能评估方法,其特征在于,使用氮气吸附等温线和BET理论来测量多孔碳材料的比表面积,取重量为 的多孔碳材料,对多孔碳材料进行脱气处理,并通过真空加热多孔碳材料去除表面吸附的污染物和水分;

将多孔碳材料放置在气体吸附仪中,增加氮气的相对压力,记录多孔碳材料在不同压力下的氮气吸附量,根据氮气吸附量,绘制氮气吸附等温线;

使用BET方程拟合氮气吸附等温线,BET方程如下:

其中, 是氮气的压力; 是氮气的饱和蒸汽压; 是在压力下吸附的氮气体积; 是单层多孔碳材料吸附所需的气体体积;是BET常数,反映吸附层与吸附气体之间的相互作用;

在BET方程的线性部分进行线性回归,确定 值和 值;

根据 值计算多孔碳材料的比表面积:

其中, 是阿伏伽德罗常数, 是氮气分子的有效横截面积; 是氮气在标准状态下的气体摩尔体积。

3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池负极多孔碳材料的性能评估方法,其特征在于,基于毛细作用原理,测量多孔碳材料的总孔容;选择低黏稠度液体介质,将多孔碳材料浸入体积为 的液体介质中,在多孔碳材料完全没入液体介质后,对液体介质进行超声振荡,当液体介质中没有气泡产生时停止超声振荡;

从液体介质中取出浸润后的多孔碳材料,获取剩余液体介质体积 ;计算多孔碳材料的总孔容 : ; 是液体介质体积总体积,对多孔碳材料的总孔容进行多次测量取平均值。

4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池负极多孔碳材料的性能评估方法,其特征在于,改进动态流体法测量多孔碳材料的平均孔径;将多孔碳材料进行干燥,去除内部的液体和气体,测量并记录多孔碳材料的横截面积 和长度L;

将多孔碳材料完全浸没在容器的驱动液体中,并在容器的上方和下方分别设置进液口和出液口,在进液口和出液口处均设置压力传感器和流量计,用于测量驱动液体的压差和流速;

对容器的进液口和出液口施加不同的压力,进液口和出液口之间的压力差值为 ;测量通过样品的驱动液体流速 ;依次改变压力差值 ,并在不同的压力条件下重复测量记录通过样品的驱动液体流速 ;

根据Darcy定律,建立流速 与压力差值 的关系:

其中,是渗透率,为驱动液体黏度;

通过Kozeny‑Carman方程,渗透率 与多孔碳材料的等效孔径 存在如下关系:;

其中,是孔隙率, 是Kozeny常数,反映孔道形状和曲折度;

解出多孔碳材料的等效孔径 :

等效孔径 即为多孔碳材料的平均孔径。

5.根据权利要求4所述的一种锂离子电池负极多孔碳材料的性能评估方法,其特征在于,基于拉曼光谱技术测量多孔碳材料的石墨化度,对多孔碳材料的表面进行打磨,采用拉曼光谱仪,并选择适当的激光波长对样品进行扫描,采集拉曼光谱数据;

分析拉曼光谱的特征峰,所述拉曼光谱的特征峰包括D峰和G峰,拉曼光谱的特征峰的D峰和G峰的积分强度比 , 是D峰的积分强度, 是G峰的积分强度;建立多孔碳材料石墨化度的定量表征模型;

考虑多孔碳材料中石墨微晶尺寸 对拉曼光谱的影响,引入Tuinstra‑Koenig公式:;

其中, 为与激光波长相关的常数,通过拟合大量已知的石墨化度样品的拉曼光谱数据,建立 与石墨化度的定量关系:;

其中,a、b、c为拟合参数,通过对碳材料实验得到;

对多孔碳材料进行拉曼光谱的测试,获得D峰和G峰的积分强度比R,将R值代入石墨化度定量表征模型,计算得到多孔碳材料的石墨化度G。

6.根据权利要求5所述的一种锂离子电池负极多孔碳材料的性能评估方法,其特征在于,采用电化学阻抗EIS测试多孔碳材料应用于锂离子电池负极时的电化学性能;将待测的多孔碳材料制备成电池电极,采用三电极体系,多孔碳材料作为工作电极,锂片作为对电极,采用氯化银作为参比电极;

将组装完成的电池与电化学工作站连接,设定EIS的参数,设定频率范围、交流激励震度以及测试点数;

在电池稳定状态下,对电池施加正弦交流激励信号,在设定的频率范围内扫描,测量电池的相应信号,即根据电池电流和电压的变化,计算出不同频率下的电池抗阻;

在每个频率点上,通过电化学工作站自动记录电池的相应电信号,数据采集完成得到电池的EIS谱图;

对EIS谱图进行分析,将采集到的数据绘制成EIS谱图,所述EIS谱图包括Nyquist图和Bode图;

根据EIS谱图的特征,设定等效电路模型,所述等效电路模型包括Randles电路和Voigt电路;利用电化学工作站的软件,对EIS数据进行拟合,得到等效电路中各个元件的参数值;

根据等效电路拟合得到的参数值,计算电池的关键性能指标,得出多孔碳材料应用于锂离子电池负极时的电化学性能,所述电化学性能包括欧姆电阻 、电荷传递电阻 、双电层电容 和扩散系数 。

7.根据权利要求6所述的一种锂离子电池负极多孔碳材料的性能评估方法,其特征在于,构建多孔碳材料的物理性能-电化学性能的二维矩阵,通过皮尔逊相关系数矩阵计算物理性能指标和电化学性能指标之间的相关性;

根据相关系数矩阵 ,分析多孔碳材料的物理性能指标和电化学性能指标的相关性:当 时,表示第 个物理性能指标和第 个电化学性能指标之间具有强相关性;

当 时,表示第 个物理性能指标和第 个电化学性能指标之间具有中等相关性;

当 时,表示第 个物理性能指标和第 个电化学性能指标之间具有弱相关性。

8.一种锂离子电池负极多孔碳材料的性能评估系统,其基于权利要求1至7任一项所述的一种锂离子电池负极多孔碳材料的性能评估方法实现,其特征在于,包括:材料获取模块、物理性能测算模块、电化学性能测算模块、相关性计算模块以及雷达图评分模块;

所述材料获取模块,用于获取锂离子电池负极的多孔碳材料;

所述物理性能测算模块,用于对多孔碳材料进行物理性能测量,测量内容包括比表面积、总孔容、平均孔径和石墨化度;基于氮气吸附等温线和BET理论测量多孔碳材料的比表面积;基于毛细作用原理,测量多孔碳材料的总孔容;改进动态流体法测量多孔碳材料的平均孔径;基于拉曼光谱技术测量多孔碳材料的石墨化度;

所述电化学性能测算模块,用于对多孔碳材料进行电化学性能测试,采用电化学阻抗EIS测试多孔碳材料应用于锂离子电池负极时的电化学性能,通过电化学阻抗EIS测试得出多孔碳材料的欧姆电阻、电荷传递电阻、双电层电容以及扩散系数;

所述相关性计算模块,用于构建多孔碳材料的物理性能-电化学性能的二维矩阵,通过皮尔逊相关系数计算物理性能指标和电化学性能指标之间的相关性;

所述雷达图评分模块,用于构建多孔碳材料物化性能指标的雷达图,显示多孔碳材料的物理性能和电化学性能评分,根据雷达图面积评估多孔碳材料的综合性能。

9.一种计算机设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7任一项所述的一种锂离子电池负极多孔碳材料的性能评估方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述的一种锂离子电池负极多孔碳材料的性能评估方法的步骤。