Das Negativ-/Positiv-Verhältnis von Lithium-Ionen-Batterien ist ein wichtiger Designparameter, der sich auf das Kapazitätsverhältnis des negativen Elektrodenmaterials relativ zum positiven Elektrodenmaterial beim Batteriekapazitätsdesign bezieht.
1 Definition und Berechnungsmethode
Das N/P-Verhältnis wird normalerweise als das Verhältnis der Kapazität der negativen Elektrode zur Kapazität der positiven Elektrode definiert und dient dazu, sicherzustellen, dass das Material der negativen Elektrode über eine ausreichende Kapazität verfügt, um die vom Material der positiven Elektrode während des Ladevorgangs freigesetzten Lithiumionen aufzunehmen. Die Berechnungsformel lautet:
N/P=Negativelektroden-Aktivmaterial-Grammkapazität x Negativelektroden-Oberflächendichte x Negativelektroden-Aktivmaterialgehaltsverhältnis ÷ (Positive-Elektrodenaktivmaterial-Grammkapazität x Positivelektrodenoberflächendichte x Positivelektroden-Aktivmaterialgehaltsverhältnis)
2 Einflussfaktoren
Erster Effekt:bezieht sich auf den ersten Coulomb-Wirkungsgrad, der die tatsächliche Kapazität der positiven und negativen Elektroden beeinflusst. Die von Materiallieferanten erhaltenen Grammkapazitätsdaten berücksichtigen oft nur die halbe elektrische Grammkapazität des Wirkstoffs, während die tatsächliche Grammkapazität der gesamten Zelle auch durch Faktoren wie Leitmittel, Klebstoffe, Stromabnehmer, Separatoren, Elektrolyte usw. beeinflusst wird. Daher gibt es einen Unterschied zwischen der tatsächlichen Kapazität in Gramm bei voller Zelle und der Kapazität in Gramm im Design.
Montagevorgang:Es gibt Unterschiede im Design des N/P-Verhältnisses zwischen zylindrischen und quadratischen Batterien, die hauptsächlich auf den engen Kontakt zwischen den positiven und negativen Elektrodenplatten zurückzuführen sind.
Chemischer Umwandlungsprozess:Der chemische Umwandlungsprozess beeinflusst auch das N/P-Verhältnis, da er den ersten Effekt beeinflusst und somit die Leistung der Grammkapazität beeinflusst.
Zyklusleistung:Die Lebensdauer ist einer der wichtigen Indikatoren zur Messung der Batterieleistung. Wenn die positive Elektrode schnell zerfällt, sollte das N/P-Verhältnis niedriger ausgelegt werden, damit sich die positive Elektrode in einem flachen Lade-Entladezustand befindet; Im Gegenteil: Wenn die negative Elektrode schnell zerfällt, sollte das N/P-Verhältnis höher ausgelegt werden, um die negative Elektrode in einem flachen Lade-Entladezustand zu halten.
Sicherheit:Sicherheit ist ein wichtigerer Indikator als die Schleifenleistung. Bei der Gestaltung des N/P-Verhältnisses sollte nicht nur die Sicherheitsleistung des Endprodukts berücksichtigt werden, sondern auch das Auftreten von Lithiumablagerungen und die Wärmeentwicklung in den Batteriezellen während des Vorladens vermieden werden.
3 Die Auswirkungen auf die Batterieleistung
N/P-Verhältnis zu hoch:
Eine übermäßige Entladung der negativen Elektrode kann zu einem flachen Laden und Entladen der negativen Elektrode und zu einem tiefen Laden und Entladen der positiven Elektrode führen.
Die vollständig geladene negative Elektrode ist weniger anfällig für Lithiumablagerungen (einige Materialien wie Weich- und Hartkohlenstoff und LTO-Materialien unterliegen ebenfalls keiner Lithiumablagerung), was sie sicherer macht.
Aber die Erhöhung des Oxidationszustands der positiven Elektrode erhöht tatsächlich die Sicherheitsrisiken.
Aufgrund der unveränderten Anfangswirkung der negativen Elektrode muss ein größerer Teil umgesetzt werden, gleichzeitig wird aufgrund des Einflusses der Kinetik die Kapazität der positiven Elektrode geringer sein.
Die Erhöhung des Oxidationszustands des positiven Elektrodenmaterials kann unter Hochtemperaturbedingungen zur Ablösung des positiven Elektrodenpulvers von der Folie, zur Vergilbung des Separators, zu einem erhöhten Innenwiderstand und zu zyklischem Versagen führen.
N/P-Verhältnis zu niedrig:
Eine unzureichende Kapazität der negativen Elektrode kann dazu führen, dass überschüssige Lithiumionen, die während des Ladevorgangs von der positiven Elektrode freigesetzt werden, sich auf der Oberfläche der negativen Elektrode niederschlagen und Lithiumdendriten bilden, was leicht zu internen Kurzschlüssen in der Batterie führen und deren Sicherheitsleistung beeinträchtigen kann.
Das freigesetzte überschüssige Li stellt eine Li-Quelle für die Ablagerung von Lithiumsalzen auf der Oberfläche der negativen Elektrode dar, und die kontinuierliche Ablagerung von Lithiumsalzen führt zu Zyklenfehlern.
4 Überlegungen zur praktischen Anwendung
Graphitbatterien mit negativer Elektrode:Das N/P-Verhältnis ist im Allgemeinen größer als 1,0 und liegt normalerweise zwischen 1,04-1,20, hauptsächlich aus Sicherheitsgründen, um eine Lithiumablagerung aus der negativen Elektrode zu verhindern. Bei der Konstruktion sollten Prozessfähigkeiten wie etwa Beschichtungsabweichungen berücksichtigt werden.
Lithiumtitanat-Batterie mit negativer Elektrode:Bei einem positiven Elektrodenüberschussdesign wird die Batteriekapazität durch die Kapazität der negativen Lithiumtitanat-Elektrode bestimmt. Das übermäßige Design der positiven Elektrode trägt zur Verbesserung der Hochtemperaturleistung der Batterie bei, da das Hochtemperaturgas hauptsächlich von der negativen Elektrode stammt. Wenn die positive Elektrode zu stark ausgelegt ist, ist das negative Elektrodenpotential niedriger, was die Bildung eines SEI-Films auf der Oberfläche von Lithiumtitanat erleichtert.
5 Dynamische Variabilität
Das N/P-Verhältnis ist ein sich dynamisch ändernder Parameter. Während des Lade-/Entladezyklus der Batterie können Änderungen der reversiblen spezifischen Kapazität der positiven und negativen Elektroden und/oder der negativen Massenbelastung des Elektrodenaktivmaterials zu kontinuierlichen Schwankungen des N/P-Verhältnisses führen. Darüber hinaus können auch Faktoren wie die anfängliche irreversible Kapazität der gesamten Batterie, die Ladeabschaltspannung, die Stromdichte, die Umgebungstemperatur und die Alterung der Batterie Änderungen im N/P-Verhältnis beeinflussen.
Das N/P-Verhältnis von Lithium-Ionen-Batterien ist ein wichtiger und komplexer Parameter beim Batteriedesign. Bevor das N/P-Verhältnis der gesamten Batterie entworfen wird, ist es notwendig, die Eigenschaften der Kathoden- und Anodenmaterialien sowie verschiedene Faktoren, die das N/P-Verhältnis beeinflussen, vollständig zu verstehen, um die Leistung und Sicherheit der Batterie sicherzustellen.