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. 儘管負極容量更小時, 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 (cell Balance)
計算方法為N/P=單位面積負極容量/單位面積正極容量.
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, 塗布精度
3, 正負極迴圈的衰減速率
按照塗布精度來算, 理想的塗布精度可以做到100%, 正極首次效率大於負極首次效率, 那麼這樣的情況下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
塗布精度 假定塗布精度偏差為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, 放電電壓平台最高.
圖2 0.2C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
圖3 1C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, 放電電壓平台最高.
圖4 3C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, 放電電壓平台最高.
圖5 5C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, 放電電壓平台最高.
綜上可知, 當隨著放電倍率的升高, 電化學極化越來越大, 放電電壓平台降低, 在較高的放電倍率下, N/P比=1.2時候電壓平台最高, 同時也具有較高的容量.
N/P比對電池迴圈性能的影響
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迴圈後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.
圖6 電池迴圈曲線
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
圖7 EIS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膜阻抗先減小後增大, 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, 電池迴圈, 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, 但是由於電池材料體系比較複雜, 又有著各種複雜的運用方式, 以理論與實際經驗相結合才能設計出最好的中國芯!
