N/P比的定义
在电池容量设计中, 一个重要的标准就是负极必须比正极具有更大的可逆容量. 尽管负极容量更小时, 电池可能有有一些优势, 比如电池容量大, 但是, 充电过程中可能会出现锂在负极表面沉积产生枝晶导致安全问题. 所谓的N/P比其实也有另外一种说法叫CB (cell Balance)
计算方法为N/P=单位面积负极容量/单位面积正极容量.
图1 锂枝晶示意图
影响N/P比的因素
正常情况下N/P比由以下条件决定:
1, 活性材料的首次效率
2, 涂布精度
3, 正负极循环的衰减速率
按照涂布精度来算, 理想的涂布精度可以做到100%, 正极首次效率大于负极首次效率, 那么这样的情况下CB的理论值可以接近1, 举例来说
正极材料 钴酸锂为例, 设计容量为140mAh/g (首次效率为95%),正极面密度300g/m2
负极材料 人造石墨, 设计容量为340mAh/g(人造石墨为90%),负极面密度200g/m2
涂布精度 假定涂布精度偏差为2.5%
按照合理的计算, 正极负极NP比一般为1.1~1.5之间, 具体数值按照不用材料体系的设计考虑.
N/P比对倍率性能的影响
为了研究正负极匹配与电解液与电池倍率性能的影响, 保持正极活性物质不变, 选取负极/正极N/P=0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8 进行组装电池, 由下图可见按照0.2C电流放电, 正负极容量分别为421mAh, 444mAh, 454mAh, 479mAh, 502mAh, 明显当N/P=0.8时, 容量最低, N/P=1.8时, 容量最高. 但是N/P=0.8时, 放电电压平台最高.
图2 0.2C电池容量放电曲线
继续按照实验设计当逐渐提高放电倍率, 对电池进行1C, 3C和5C放电
图3 1C电池容量放电曲线
倍率为1C时明显当N/P=0.8时, 容量最低, N/P=1.6时, 容量最高. 但是N/P=0.8, 放电电压平台最高.
图4 3C电池容量放电曲线
倍率为3C时明显当N/P=0.8时, 容量最低, N/P=1.6时, 容量最高. 但是N/P=1.2, 放电电压平台最高.
图5 5C电池容量放电曲线
倍率为5C时明显当N/P=0.8时, 容量最低, N/P=1.6时, 容量最高. 但是当N/P=1.2, 电池也具有较高的容量, 放电电压平台最高.
综上可知, 当随着放电倍率的升高, 电化学极化越来越大, 放电电压平台降低, 在较高的放电倍率下, N/P比=1.2时候电压平台最高, 同时也具有较高的容量.
N/P比对电池循环性能的影响
同样也是选取不同N/P比=1.0,1.2,1.4,1.6,1.8 经过125次1C/1C循环后电池的容量保持率如下图所示, 明显当N/P=1.0容量保持率最低, 当N/P=1.8容量保持率最高, 容量保持率随着N/P比的增大而增大.
图6 电池循环曲线
N/P比对电池阻抗的影响
按照实验进行N/P比=0.8,1.2,1.6,1.8时候, 电池SOC=50%, 组装电池测试电池的EIS如下所示
图7 EIS图谱测试曲线
由图可知, 当N/P比=0.8时, 小半圆的半径最大, N/P比=1.6时候小半圆半径最小, 从小到大排列顺序为: R0.8﹥ R1.0﹥ R1.8﹥ R1.2﹥ R1.6 说明在保持正极容量不变的情况下, 随着负极容量的增加, 电极表面SEI膜阻抗先减小后增大, 当N/P比=1.2和1.6的时候R最小.
结 语
笔者认为NP比从实际生产, 电池倍率, 电池循环, 电池安全, 电池阻抗综合看来NP比值选取在1.1~1.5之间是最切合实际的电芯设计参数, 但是由于电池材料体系比较复杂, 又有着各种复杂的运用方式, 以理论与实际经验相结合才能设计出最好的中国芯!
