该虚拟仿真实验包括共沉淀反应制备前驱体、高温锂化制备三元材料、半电池组装及电化学稳定性能测试等三个主要过程，完全能够真实呈现真实实验场景过程中设备操作、工艺参数控制、成分分析、电池组装、电化学性能测试等关键环节，让实验者能够身临其中，将实验过程中不宜观察、抽象、难以理解的化学反应过程进行模拟，便于学生对化学反应过程、理论分析计算等知识的理解和掌握。，模型的构建基于真实设备、工艺参数的设置基于真实的实验数据，同时还将分子模拟计算得到的反应模型引入到该仿真实验中，能够清晰的呈现生产流程中微观的、动态的变化，还能为学生提供身临其境的学习与互动交流。

1.共沉淀反应制备前驱体

化学共沉淀法在液相化学合成粉体材料中应用最为广泛，一般是向原料溶液中添加适当的沉淀剂，使溶液中已经混合的各组分按化学计量比共同沉淀出来，或在溶液中先反应沉淀出一种中间产物，再把它煅烧分解制备出目标产物。采用该工艺可根据实验条件对产物的粒度、形貌进行调控，产物中有效组分可达到原子、分子级别的均匀混合，设备简单，操作容易。

共沉淀过程主要包括过饱和溶液的形成、晶体成核和晶体的生长三个过程。在描述结晶过程中还应当包括诱导期、半转变期、最大结晶速率、过程阶数等。制备三元材料前驱体时，由于镍钴锰氧化物的浓度积小，沉淀速率快，溶液过饱和度高，晶体成核快，容易形成胶体沉淀，形貌不易控制，而且Mn(OH)2溶度积较另外两种氢氧化物大两个数量级，采用镍钴锰金属盐与碱直接反应难于合成具有球形形貌前驱体，实现均匀的沉淀。

该部分首先以镍、钴、锰硫酸盐为原料，采用共沉淀反应釜进行模拟合成，通过优化沉淀离子的过饱和度、pH值、氨水浓度、温度、搅拌速度等工艺参数等制备目标产物，并结合化学反应分子模拟将其生成过程进行动态呈现，最后通过化学及形貌分析得到符合要求的镍钴锰氢氧化物前驱体。

由于大量的过渡金属离子在加入反应器后以氨络合物的形式存在，溶液中游离态的过渡金属离子很少，溶液过饱和度低，抑制晶核形成速率，使溶液中更多沉淀离子向晶核微粒表面扩散，并在晶核表面沉淀，促成晶粒生长，便可得到结晶度好、合理团聚并有适当粒度的球形氢氧化物产品。制备过程如图2-1所示，其存在反应过程包括络合反应和沉淀反应，如式(2-1)、(2-2)和(2-3)所示，其化学反应动态模拟如图2-2所示。

（1）前驱体制备物料配比

不同金属离子在水溶液中发生共沉淀，必须满足一定热力学要求与动力学要求，沉淀的生成则可利用溶液积通过化学平衡理论来讨论。例如：盐溶液摩尔数=盐溶液摩尔量×盐溶液浓度体积（2mol/L×675mL=1.35mol），（Ni、Co、Mn）摩尔量=盐溶液摩尔量×（Ni、Co、Mn）所占比例。

（2）共沉淀反应溶液pH控制

在多元的共沉淀体系中，pH值的控制十分重要。因为碱-氨水混合溶液是不断加入的，同时又有络合反应的发生，使pH值值比较难控制，另外含有Mn的氢氧化物中容易形成锰氧化物，当温度高于60℃时和pH值增加到某一范围时，锰的氢氧化物不沉淀而是优先生成锰的氧化物。当碱过量和有氧化物存在时也易形成某种锰的氧化物。

pH值对前驱体形貌的影响。pH值偏高，利于晶核形成，一次晶粒成薄片状，二次颗粒成圆球状；pH值偏低，利于晶核长大，一次晶粒偏厚偏大，二次颗粒易团聚成异形球。pH值对前驱体粒度分布的影响。pH值过高，前驱体的平均粒径（D50）随反应进行几乎没有增长；pH值适中，前驱体的D50匀速增长；pH值过低，前驱体的的D50反应初期快速增长，中后期趋于缓和。所以，pH值的控制对于合成元素均匀的三元前驱体是十分重要的。

（3）氨水浓度的影响

在没有氨水存在的条件下，溶液体系中Ni2+、Co2+、Mn2+会与OH-1反应生成沉淀。在采用络合沉淀法制备三元前驱体时，氨水浓度对前驱体形貌、粒度分布、振实密度影响同样较大。随着总氨浓度的上升，沉淀产物粒径显著增大，球形颗粒表面越来越光滑，球形度和致密性也会逐渐增大、颗粒间分散性号。另外，体系中镍、钴的溶解度也会显著增加，共沉淀体系过饱和度随之急剧减小，晶体形核速率大大降低，晶体生长速率则不断加快，所得沉淀产物粒径也就逐渐长大。另一方面，随着总氨浓度的提高，原先生成的细小沉淀物颗粒也更易于溶解并在大颗粒表面再次沉淀析出，使得大颗粒粒径不断长大、光滑。

（4）搅拌速度的影响

适当增大搅拌速度可增加沉淀产物的振实密度，强烈搅拌不仅能使加入反应器中的镍、钴、锰离子与氢氧根离子迅速散开，避免加料过程中体系局部过饱和度过大而引起大量成核，保证各微观区域内晶体成核和生长的环境基本一致；而且提高搅拌速率还可加快反应离子在体系内的传质，单位时间内有更多的反应物达到晶体的表面结晶，有利于晶体生长。

（5）反应时间的影响

反应时间会影响共沉淀产物的粒径大小和形貌，而这些因素又直接影响着产品的堆积密度。沉淀晶体的形成是需要通过一定时间浓度的积累，随着料液的不断加入，开始生成的晶核上由于不断沉积料液，慢慢地长大，如果反应时间不够长的话很可能导致晶核停止生长，结晶不完全。所以晶核的生成和长大都是需要一定时间的，而且结晶条件不同，所需的时间也是有差别的。 反应时间的长短不仅影响产品的堆积密度，而且会对颗粒的结晶情况产生较大的影响，当反应时间较短时，颗粒较小，沉淀颗粒结晶性不好，或者球形度较差，粒度分布也较宽，不同颗粒的粒径相差比较悬殊，由大量的小颗粒存在，此时，晶体的结晶度致密程度相对较差。

（6）反应温度的影响

不同的反应温度制备出前驱体的堆积密度不同，温度升高堆积密度增大。但堆积密度在某一温度出现最大值后会有一下降的趋势，温度升高，晶粒的生成速率提高，但影响不十分明显，而晶粒长大速率则大大提高。虽然反应温度升高使各种过程的速率都有可能提高，但由于反应温度提高时，溶液的过饱和度一般随着下降，所以会使得成核速率的增加相应受到较多的削弱。虽然温度的提高更有利于晶核长大速率的增加，但如果温度太高，反应物分子动能增加过快也不利于形成稳定的晶核。

（7）陈化时间的影响

在进料结束后，并不马上停止加热，停止搅拌，溶液继续停留在反应器里一段时间，这样可以使得反应进行得比较完全，而且有利于溶液继续沉积在相当一部分的小颗粒表面，使晶体进一步长大，而已经长大的晶体也可以被溶液中还存在的NH3·H2O磨掉边角，使晶体变得圆整、光滑。在前驱体晶体形成的过程中，晶核中容易包覆一些离子，所以就需要一定的时间使这些离子从晶体中游离出来，所以，在反应结束后，进行一段时间的陈化是非常必要的，因为溶解、结晶是同时进行的过程，虽然溶液中生长基元没发生变化，但反应总是趋于能量最低的方向进行，从而得到较好的结晶性能。

2.高温锂化制备三元材料

三元材料高温锂化过程包括锂盐和预制备前驱体的热分解，以及分解产物的化学反应过程，通过控制锂盐配比、煅烧温度、煅烧时间、氧气气氛等工艺参数制备目标产物，并通过化学及形貌分析制备符合要求的三元材料。

高温锂化反应如式（2-4）~（2-6）所示。

从室温至150℃发生LiOH·H2O脱去结晶水的反应：

LiOH·H2O的熔化温度在470℃左右，沸点925℃，1625℃完全分解。但是在过渡金属氧化物存在的情况下，由于过渡金属离子的催化作用，使其在500℃左右开始分解，发生下面的反应：

三元前驱体的分解（250~400℃）：

高温锂化流程如图2-3所示，锂化过程分子动态模拟如图2-4所示，通过该阶段的模拟操作让实验者在掌握工艺流程和、实验操作的基础上，对高温煅烧固-固反应动态过程动态反应从微观层次有了更深入、清晰的认识。

（1）高温烧结锂盐配比

在生产实践中发现，锂化配比是影响三元材料比容量和循环性能的主要因素之一，锂化配比还会影响三元材料的表面游离锂含量和材料的pH值。三元材料锂化配比范围为1.02~1.15之间，主要是使因为煅烧过程锂盐会发生分解和会部分挥发。锂化配比偏高或偏低，三元材料容量都会降低。锂化配比越高，材料表面的游离锂越高。一般情况下，锂化稍微偏高的材料循环性能较为优异，但比容量并不是很高；锂化稍微偏低的材料能得到较高的比容量，但其循环性能有所降低。

（2）煅烧温度和时间

煅烧温度和煅烧时间是影响三元材料性能的重要因素。但两者不是完全独立的，当煅烧温度略高时，可适当缩短煅烧时间；若煅烧时间过长，可适当调低煅烧温度。在晶体中晶格能越大，离子结合也越牢固，离子扩散也越困难，所需煅烧温度也越高。各种晶体由于键合情况不同，煅烧温度相差也很大，因此不同比例的三元材料煅烧温度具有较大的差异性，这跟镍氧、钴氧、锰氧的键合情况具有较大的关联性。即使用同一种晶体的结晶度也不是一个固定不变的值，所以采用不同工艺路线生产出的三元前驱体生产三元材料时确认的较佳煅烧温度各不相同。温度升高，一方面促使产物中的一次颗粒生长得粗大、致密，提高振实密度，原料中许多未成球的团聚小颗粒也由于固相反应而重新生长成结构致密的产物，因此适当提高煅烧温度对反应是有利的。温度过低，反应不完全，容易生成无定形材料，材料的结晶性能不好，且容易有杂相，对材料的电化学性能影响也较大。所以只有当煅烧温度适中，才能使材料的加工性能和电化学性能达到最佳状态。

不同组分的三元材料煅烧温度也不同。一般情况下，镍含量越高，煅烧温度越低。另外，煅烧温度直接影响材料的容量、效率和循环性能，对材料表面锂盐和材料pH值影响较为明显，对材料的振实密度、比表面积也有一定的影响。镍含量越高，煅烧温度越低；随温度的升高，物料的扩散系数增大；烧结时间对材料容量、比表面积、振实密度、pH值影响不大；随烧结时间延长，表面锂残留量减少，单晶颗粒尺寸减小。

（3）煅烧气氛

三元材料的煅烧过程是氧化反应，需要消耗氧气。在扩散控制的三元材料的煅烧中，气氛的影响与扩散控制因素有关，与气孔内气体的扩散和溶解能力有关，表面会聚集大量的氧气，使阳离子空位增加，有利于阳离子扩散的加速和促进煅烧，所以，三元材料的煅烧过程中要确保由足够的氧分压。

3. 半电池组装及电化学稳定性能测试

通过模拟调浆、极片制备、电池装配和封口等操作让实验者真实、准确的掌握纽扣电池的装配工艺，然后通过XPS和FE-SEM对制备三元电极材料进行化学分析、和形貌分析。通过和蓝电测试系统等对制备以三元电极材料为正极的电池的充放电比容量、循环稳定性能、充放电过程中离子电子的运动过程进行表征。其电池装配流程如图2-5所示。