在平衡条件下计算开路电压(OCV)

目的: 学习平衡计算，在结果表格和图形中输出化学势和电压值，以模拟用于电池应用中合金体系的开路电压(Open Circuit Voltage)曲线。

模块: 相图模块

热力学数据库: LiSn.tdb

批处理文件:Example_#1.26.pbfx

背景介绍: 碳基负极材料广泛用于锂离子电池，但是其低电荷密度促使人们寻求下一代阳极材料。锡基合金是阳极候选材料之一。计算Li-Sn合金体系的开路电压曲线为合金体系的容量提供了思路。该示例介绍如何在相图模块中直接计算合金的开路电压曲线并与实验数据进行对比。根据能斯特方程 ，合金体系的平衡开路电压E通过与化学势相关。F是法拉第常数94685 C/volt。在本例的Li-Sn系统中，n=1，则 。在688 K下，Li和Sn处于液态，参考状态选择为液相。

计算过程:

图 1:  线计算条件设置界面

  • 设置“Extra Outputs Tables”： 在图 1 所示的界面中单击“Extra Outputs”，将出现一个如图 2所示的新界面。 然后单击蓝色的“ +”以弹出Table Editor，见图 3。从Table Editor中，用户可以选择输出默认表中未显示的一些额外的性质；

图 2:  设置额外输出界面

  • 图 3所示为本例中的额外输出的性质，包括：以液相为参考态的Li的化学势mu(Li:Liquid[Li])； Li的开路电压E对应为-mu(Li:Liquid[Li])/96485；x(Li)/x(Sn)对应为LiySn体系中的y 值；

图 3:  额外输出表格中定义性质：将性质从左列拖动到右列，或直接在右列中键入来定义性质

  • 设置 “Extra Outputs graphs”: 在 图 4 所示界面，单击“Graph”按钮，然后单击蓝色的 “+”来额外输出图形，出现如图 5 所示界面。 在“Table source”中选择上一步中设置的“generated”表格。将x(Li)/x(Sn)从左列拖动到右列的X轴；将-mu(Li:Liquid[Li])/96485从左列拖动到右列的Y轴。 然后单击OK；

  • 当界面返回图 1时，单击OK，开始 计算。

图 4:  设置额外图形输出界面

图 5:  设置额外输出图形

计算后处理：

  • 修改坐标轴范围以及坐标标题： 参见Pandat 用户手册: 属性；

    计算结束后，默认设置计算的Li-Sn体系开路电压曲线如图 6所示。将x轴范围设置为0到6，得到图 7 所示图。

图 6:  计算的Li-Sn体系的开环电压曲线

图 7:  Li-Sn体系的开环电压曲线: 横坐标范围为 0-6

  • 导入实验数据：从菜单栏点击 Table → Import Table From Files, 选择 LiSn.txt 文件导入至计算的 Pandat™ 工作空间；

  • 对比实验数据与计算结果：在Pandat™ 工作空间中选中图 7 图形，从菜单栏点击Graph → Edit Plots, 或点击工具栏 按钮，将弹出图 8 所示“Setup Plot”界面。选中导入的LiSn表格，选择LixSn 为 X轴，E_Li(V)为 Y 轴，然后点击 OK；

  • 在添加线的属性设置中， “Plot Type” 设置为 “Point”, “Marker Color” 为 “Transparent”, “Marker Style” 为 “Circle”; 添加图例，修改标题 Y 轴为 (E vs ELi ) / V；最终获得图形如 图 9 所示。

图 8:  通过Setup Plot 界面：将实验数据添加到图形中

图 9:  计算所得Li-Sn合金在688K 下开路电压曲线与实验值对比