Raportul negativ/pozitiv al bateriilor litiu-ion este un parametru cheie de proiectare, care se referă la raportul de capacitate al materialului electrodului negativ în raport cu materialul electrodului pozitiv în proiectarea capacității bateriei.
1 Definiție și metodă de calcul
Raportul N/P este de obicei definit ca raportul dintre capacitatea electrodului negativ și capacitatea electrodului pozitiv, utilizat pentru a se asigura că materialul electrodului negativ are o capacitate suficientă pentru a accepta ionii de litiu eliberați de materialul electrodului pozitiv în timpul încărcării. Formula de calcul este:
N/P=capacitate gram material activ electrod negativ x densitate suprafață electrod negativ x raport conținut material activ electrod negativ ÷ (capacitate gram material activ electrod pozitiv x densitate suprafață electrod pozitiv x raport conținut material activ electrod pozitiv)
2 Factori de influență
Primul efect:se referă la primul randament coulombic, care afectează capacitatea reală a electrozilor pozitivi și negativi. Datele de capacitate în grame obținute de la furnizorii de materiale iau în considerare adesea doar capacitatea de jumătate de gram electric a substanței active, în timp ce capacitatea efectivă de grame a celulelor este, de asemenea, afectată de factori precum agenți conductivi, adezivi, colectori de curent, separatori, electroliți etc. , există o diferență între capacitatea reală în grame de celule și capacitatea de proiectare în grame.
Procesul de asamblare:Există diferențe în proiectarea raportului N/P între bateriile cilindrice și pătrate, în principal datorită etanșeității contactului dintre plăcile electrodului pozitiv și negativ.
Procesul de conversie chimică:Procesul de conversie chimică afectează și raportul N/P, deoarece afectează primul efect și afectează astfel performanța capacității gram.
Performanța ciclului:Ciclul de viață este unul dintre indicatorii importanți pentru măsurarea performanței bateriei. Dacă electrodul pozitiv scade rapid, raportul N/P ar trebui proiectat să fie mai mic, permițând electrodului pozitiv să fie într-o stare de descărcare de încărcare mică; Dimpotrivă, dacă electrodul negativ scade rapid, raportul N/P ar trebui proiectat mai mare pentru a menține electrodul negativ într-o stare de descărcare de încărcare mică.
Securitate:Securitatea este un indicator mai important decât performanța buclei. Proiectarea raportului N/P nu ar trebui să ia în considerare doar performanța de siguranță a produsului finit, ci și să evite apariția depunerilor de litiu și a generării de căldură în celulele bateriei în timpul preîncărcării.
3 Impactul asupra performanței bateriei
Raportul N/P prea mare:
Descărcarea excesivă a electrodului negativ poate provoca încărcare și descărcare superficială a electrodului negativ și încărcare și descărcare profundă a electrodului pozitiv.
Electrodul negativ complet încărcat este mai puțin predispus la depunere de litiu (unele materiale, cum ar fi carbonul moale și dur și materialele LTO, de asemenea, nu suferă depunere de litiu), ceea ce îl face mai sigur.
Dar creșterea stării de oxidare a electrodului pozitiv crește de fapt pericolele de siguranță.
Datorită efectului inițial neschimbat al electrodului negativ, cu atât mai multă parte trebuie să reacționeze și, în același timp, datorită influenței cineticii, capacitatea electrodului pozitiv va fi mai mică.
Creșterea stării de oxidare a materialului electrodului pozitiv poate duce la desprinderea pulberii electrodului pozitiv de pe folie, îngălbenirea separatorului, creșterea rezistenței interne și defecțiunea ciclică în condiții de temperatură ridicată.
Raportul N/P prea mic:
Capacitatea insuficientă a electrodului negativ poate determina excesul de ioni de litiu eliberați de electrodul pozitiv în timpul încărcării să precipite pe suprafața electrodului negativ și să formeze dendrite de litiu, care pot provoca cu ușurință scurtcircuite interne în baterie și pot afecta performanța de siguranță a acesteia.
Excesul de Li eliberat oferă o sursă de Li pentru depunerea sărurilor de litiu pe suprafața electrodului negativ, iar depunerea continuă a sărurilor de litiu duce la defecțiunea ciclului.
4 Considerații în aplicații practice
Baterii cu electrozi negativi din grafit:Raportul N/P este în general mai mare de 1,0, de obicei controlat între 1,04-1,20, în principal pentru proiectarea de siguranță pentru a preveni depunerea de litiu de la electrodul negativ. La proiectare, trebuie luată în considerare capacitatea de proces, cum ar fi abaterea acoperirii.
Baterie cu electrod negativ din titanat de litiu:adoptând un design în exces de electrod pozitiv, capacitatea bateriei este determinată de capacitatea electrodului negativ de titanat de litiu. Designul excesiv al electrodului pozitiv este benefic pentru îmbunătățirea performanței la temperatură înaltă a bateriei, deoarece gazul la temperatură înaltă provine în principal de la electrodul negativ. Când electrodul pozitiv este proiectat în mod excesiv, potențialul electrodului negativ este mai scăzut, ceea ce face mai ușor formarea unei pelicule SEI pe suprafața titanatului de litiu.
5 Variabilitatea dinamică
Raportul N/P este un parametru care se schimbă dinamic. În timpul ciclului de încărcare/descărcare a bateriei, modificările capacității specifice reversibile a electrozilor pozitivi și negativi și/sau a sarcinii de masă negativă a materialului activ al electrodului pot duce la variații continue ale raportului N/P. În plus, factori precum capacitatea inițială ireversibilă a întregii baterii, tensiunea de întrerupere a încărcării, densitatea curentului, temperatura ambiantă și îmbătrânirea bateriei pot afecta, de asemenea, modificările raportului N/P.
Raportul N/P al bateriilor litiu-ion este un parametru important și complex în proiectarea bateriilor. Înainte de a proiecta raportul N/P al întregii baterii, este necesar să se înțeleagă pe deplin caracteristicile materialelor catodului și anodului, precum și diferiții factori care afectează raportul N/P, pentru a asigura performanța și siguranța bateriei.