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    關于鋰電池N/P比的設計

    鉅大LARGE  |  點擊量:16712次  |  2018年09月26日  

    N/P比的定義

    在電池容量設計中,一個重要的標準就是負極必須比正極具有更大的可逆容量。盡管負極容量更小時,電池可能有有一些優勢,比如電池容量大,但是,充電過程中可能會出現鋰在負極表面沉積產生枝晶導致安全問題。所謂的N/P比其實也有另外一種說法叫CB(cellBalance)

    計算方法為N/P=單位面積負極容量/單位面積正極容量。

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    圖1鋰枝晶示意圖

    影響N/P比的因素

    正常情況下N/P比由以下條件決定:

    1、活性材料的首次效率

    2、涂布精度

    3、正負極循環的衰減速率

    按照涂布精度來算,理想的涂布精度可以做到100%,正極首次效率大于負極首次效率,那么這樣的情況下CB的理論值可以接近1,舉例來說:

    正極材料鈷酸鋰為例,設計容量為140mAh/g(首次效率為95%),正極面密度300g/m2

    負極材料人造石墨,設計容量為340mAh/g(人造石墨為90%),負極面密度200g/m2

    涂布精度假定涂布精度偏差為2.5%

    按照合理的計算,正極負極NP比一般為1.1~1.5之間,具體數值按照不用材料體系的設計考慮。

    N/P比對倍率性能的影響

    為了研究正負極匹配與電解液與電池倍率性能的影響,保持正極活性物質不變,選取負極/正極N/P=0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8進行組裝電池,由下圖可見按照0.2C電流放電,正負極容量分別為421mAh,444mAh,454mAh,479mAh,502mAh,明顯當N/P=0.8時,容量最低,N/P=1.8時,容量最高。但是N/P=0.8時,放電電壓平臺最高。

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    圖20.2C電池容量放電曲線

    繼續按照實驗設計當逐漸提高放電倍率,對電池進行1C,3C和5C放電

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    圖31C電池容量放電曲線

    倍率為1C時明顯當N/P=0.8時,容量最低,N/P=1.6時,容量最高。但是N/P=0.8,放電電壓平臺最高。

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    圖43C電池容量放電曲線

    倍率為3C時明顯當N/P=0.8時,容量最低,N/P=1.6時,容量最高。但是N/P=1.2,放電電壓平臺最高。

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    圖55C電池容量放電曲線

    倍率為5C時明顯當N/P=0.8時,容量最低,N/P=1.6時,容量最高。但是當N/P=1.2,電池也具有較高的容量,放電電壓平臺最高。

    綜上可知,當隨著放電倍率的升高,電化學極化越來越大,放電電壓平臺降低,在較高的放電倍率下,N/P比=1.2時候電壓平臺最高,同時也具有較高的容量。

    N/P比對電池循環性能的影響

    同樣也是選取不同N/P比=1.0,1.2,1.4,1.6,1.8經過125次1C/1C循環后電池的容量保持率如下圖所示,明顯當N/P=1.0容量保持率最低,當N/P=1.8容量保持率最高,容量保持率隨著N/P比的增大而增大。

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    圖6電池循環曲線

    N/P比對電池阻抗的影響

    按照實驗進行N/P比=0.8,1.2,1.6,1.8時候,電池SOC=50%,組裝電池測試電池的EIS如下所示

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    圖7EIS圖譜測試曲線

    由圖可知,當N/P比=0.8時,小半圓的半徑最大,N/P比=1.6時候小半圓半徑最小,從小到大排列順序為:R0.8>R1.0>R1.8>R1.2>R1.6說明在保持正極容量不變的情況下,隨著負極容量的增加,電極表面SEI膜阻抗先減小后增大,當N/P比=1.2和1.6的時候R最小。

    結語

    筆者認為NP比從實際生產,電池倍率,電池循環,電池安全,電池阻抗綜合看來NP比值選取在1.1~1.5之間是最切合實際的電芯設計參數,但是由于電池材料體系比較復雜,又有著各種復雜的運用方式,以理論與實際經驗相結合才能設計出最好的中國芯!

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