电芯正负极的容量匹配设计!
8页1、电芯正负极的容量匹配设计!网上已有较多的N/P的文章,内容非常不错,也非常有深度。 但是,从业新手普遍对文章中提到的传统石墨负极锂离子电池的 N/P设计的实例运用和钛酸锂负极锂电池的 N/P比两个问题感到 迷茫。本文着重讲述这两个问题,当然由于水平所限,讲述不足 的地方,请大牛多多指教。正文:在设计锂电池时,正确计算正负极容量合理的配比系 数非常重要。对于 传统石墨负极锂离子电池,电池充放电循环失效短 板主要在于负极侧发生析锂、死区等,因此通常采用负极过量的 方案。在这种情况下,电池的容量是由正极容量限制,负极容量 /正极容量比大于1.0 (即N/P比1.0)。如果正极过量,在充电 时,正极中出来的多余的锂离子无法进入负极,会在负极表面形 成锂的沉积以致生成枝晶,使电池循环性能变差,也会造成电池 内部短路,引发电池安全问题。因此一般石墨负极锂电池中负极 都会略多于正极,但也不能过量太多,过量太多会消耗正极中的 锂;另外也会造成负极浪费,降低电池能量密度,提髙电池成本。 对于钛酸锂负极电池,由于LTO负极结构较稳定,具有髙的电压平 台,循环性能优异且不会发生析锂现象,循环失效原因主要发在
2、 正极端,电池体系设计可取的方案是采用正极过量,负极限容(N/P 比1.0),这样可以缓解当电池接近或处于完全充电状态时在髙 电位区域正极电位较髙导致电解质分解。图1、石墨负极不足和负极过量时电池性能趋势图传统石墨负极锂离子电池 N/P 比的计算实例N/P比(Negative/Positive)是指负极容量和正极容量的比值,其实也有另外一 种说法叫 CB (cell Balance)。一般情况下,电池中的正负极配比主要由以下因素决定: 正负极材料的首次效率:要考虑所有存在反应的物质,包括导电剂,粘接 剂,集流体,隔膜,电解液。 设备的涂布精度:现在理想的涂布精度可以做到100%,如果涂布精度差, 要加以考虑。 正负极循环的衰减速率:如果正极衰减快,那么N/P比设计低些,让正极处于浅充放状态,反之如果负极衰减快,那么N/P比高些,让负极处于浅充放状态 电池所要达到的倍率性能。N/P的计算公式:N/P=负极面密度X活性物质比率X活性物质放电比容量 / 正极面密度X活性物质比率X活性物质放电比容量举例来说:LiCo02在4.23.0V电压范围,25C下,首轮充放电效率为95% 左右,三元材料
3、首放充放电效率在86%90%之间。表1为商业NCM111的1C放电前三个充放电循环的质量比容量。循环次数充电比潯趟mA h * g放电比 StV(mA - h - g 1)1168345214$145 A i 码 1-3145展、点二词胡kr表1商业NCM111电池前三个充放电循环比容量在使用材料配比前,可以根据材料厂家提供的首轮效率数据进行计算。如果厂 家没有提供,最好先用扣式半电池测试材料的首轮效率,以便做正负极配比计石墨负极的锂电池正负极配比可以按照经验公式 N/P=1.08来计算,N、P分别 为负极和正极活性物质的质量比容量,计算公式如式(1)和式(2)所示。负 极过量有利于防止电池过充时带来的锂在负极表面的沉积, 有利于提高电池的 循环寿命和安全性。N二负极面密度X活性物质比率X活性物质放电比容量(1)P二正极面密度X活性物质比率X活性物质放电比容量(2 )假设正极面密度为200mgcm-2,活性物质比率为90%,放电比容量为 145mA h g-i,那么 P=200mg cm-2X0.9X 145 mA hg-i = 26.1 mA h cm- 2。假设负极活性物质比率为9
4、5%,放电比容量为320mAhg-1,那么负极的 面密度设计为93 mg cm-2较为合适,此时N=93mg cm- 2X0.95 X 320 mA hg- 1 = 28.3mA hcm-2,N/P=1.084 。因为电池材料首轮不可逆容量也会影响正负极的配比, 所以还应当用首轮的充 电容量对上面的计算进行验证。根据表 2所示,LiCo02首轮充放电效率95%,NCM111首轮充放电效率86%,负极的首轮充放电效率290 %,它们的充电容量分别为 153mA h g-1、169mA h g-1、355mA h g-1。表2正负极材料首放容量和效率(典型值)P 二27.54mA hcm-2LCON二31.36 mA hcm-2N/P =1.138LCOP =30.42mA hcm-2111N/P =1.03111 一般讲用充电容量算出的N,/P,比应该大于1.03,如果低于1.03 就要重新对正负极的比例进行微调。例如当正极首轮效率为80% 时,上述正极充电容量为181 mAhg - 1,那么P=32.58mAh -cm - 2,N/P=0.96,这时就要调整正负极的面密度,使 N/P大
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