基于元胞自动机的三元正极材料烧结化学反应过程多尺度建模与机理研究

本文创新性地采用元胞自动机(CA)方法构建了LiOH与Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2烧结过程的多机制耦合模型，通过浓度梯度扩散规则、热激活反应规则和表面能最小化迁移规则，首次实现了三元材料（NCM）固相烧结中锂源渗透、产物生成和形貌演变的动态模拟，为优化锂电池正极材料制备工艺提供了重要理论工具。

　　

Highlight亮点

(1) 基于材料扩散定理建立元胞自动机模型的物质扩散转换规则，模拟高温下锂源的渗透现象，获得三元正极材料烧结过程中不同物质颗粒的分布。同时设计基于热激活机制（thermal-activation mechanism）的物质反应规则，实现三元正极材料最终产物的生成。该热激活机制指离子在高温下克服势垒扩散进入前驱体晶格并发生氧化还原反应的行为。

(2) 根据元胞自动机模型中晶粒表面细胞状态，通过表面能最小化定理（surface-energy minimization theorem）设计氢氧化锂的迁移规则，控制细胞进出迁移从而调控晶粒的粘结与迁移。该表面能最小化是烧结过程中的热力学驱动力，促使物质从凸区域向凹区域迁移。最终实现三元正极材料烧结化学反应与形貌变化的动态演化模拟。

(3) 基于提出的元胞自动机模型和实验数据，识别球形、方形、椭圆形和马蹄形四种不同初始状态类型，研究其对反应速率的影响。最终球形颗粒表现出更稳定的反应速率，而方形颗粒具有更高的平均反应速率。

Section snippets章节选要

三元正极材料烧结机制

为描述三元正极材料的工业制备过程，需建立材料的反应机制与特征。实际生产中通常采用高温固相法，以LiOH·H₂O和Ni_0.83Co_0.11Mn_0.06(OH)₂（NCMOH）为原料，在烧结过程中同时发生锂源扩散、固相反应和颗粒形貌演变三重机制耦合。

元胞自动机初始状态设置

该方法通过局部规则高效模拟介观尺度的非平衡微观结构。模型初始设置为垂直分布的球形LiOH和NCMOH颗粒，通过浓度梯度驱动的扩散规则实现锂源渗透，结合热激活反应规则生成LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂产物。

Conclusions结论

本研究提出的元胞自动机方法成功模拟了三元正极材料烧结过程中的化学反应与形貌演变。通过多规则耦合首次实现了：1）锂离子浓度梯度分布的动态可视化；2）接触面角α变化的定量分析；3）不同初始形貌对反应速率的差异化影响。球形颗粒的稳定反应特性表明其更适合工业化生产。