N/P比的定義

在電池容量設(shè)計(jì)中，一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)就是負(fù)極必須比正極具有更大的可逆容量。盡管負(fù)極容量更小時(shí)，電池可能有有一些優(yōu)勢，比如電池容量大，但是，充電過程中可能會(huì)出現(xiàn)鋰在負(fù)極表面沉積產(chǎn)生枝晶導(dǎo)致安全問題。所謂的N/P比其實(shí)也有另外一種說法叫CB(cellBalance)

計(jì)算方法為N/P=單位面積負(fù)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、涂布精度

3、正負(fù)極循環(huán)的衰減速率

按照涂布精度來算，理想的涂布精度可以做到100%，正極首次效率大于負(fù)極首次效率，那么這樣的情況下CB的理論值可以接近1，舉例來說：

正極材料鈷酸鋰為例，設(shè)計(jì)容量為140mAh/g(首次效率為95%),正極面密度300g/m2

負(fù)極材料人造石墨，設(shè)計(jì)容量為340mAh/g(人造石墨為90%),負(fù)極面密度200g/m2

涂布精度假定涂布精度偏差為2.5%

按照合理的計(jì)算，正極負(fù)極NP比一般為1.1~1.5之間，具體數(shù)值按照不用材料體系的設(shè)計(jì)考慮。

N/P比對倍率性能的影響

為了研究正負(fù)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(zhì)不變，選取負(fù)極/正極N/P=0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8進(jìn)行組裝電池，由下圖可見按照0.2C電流放電，正負(fù)極容量分別為421mAh，444mAh，454mAh，479mAh，502mAh，明顯當(dāng)N/P=0.8時(shí)，容量最低，N/P=1.8時(shí)，容量最高。但是N/P=0.8時(shí)，放電電壓平臺(tái)最高。

圖20.2C電池容量放電曲線

繼續(xù)按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)當(dāng)逐漸提高放電倍率，對電池進(jìn)行1C，3C和5C放電

圖31C電池容量放電曲線

倍率為1C時(shí)明顯當(dāng)N/P=0.8時(shí)，容量最低，N/P=1.6時(shí)，容量最高。但是N/P=0.8，放電電壓平臺(tái)最高。

圖43C電池容量放電曲線

倍率為3C時(shí)明顯當(dāng)N/P=0.8時(shí)，容量最低，N/P=1.6時(shí)，容量最高。但是N/P=1.2，放電電壓平臺(tái)最高。

圖55C電池容量放電曲線

倍率為5C時(shí)明顯當(dāng)N/P=0.8時(shí)，容量最低，N/P=1.6時(shí)，容量最高。但是當(dāng)N/P=1.2，電池也具有較高的容量，放電電壓平臺(tái)最高。

綜上可知，當(dāng)隨著放電倍率的升高，電化學(xué)極化越來越大，放電電壓平臺(tái)降低，在較高的放電倍率下，N/P比=1.2時(shí)候電壓平臺(tái)最高，同時(shí)也具有較高的容量。

N/P比對電池循環(huán)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(jīng)過125次1C/1C循環(huán)后電池的容量保持率如下圖所示，明顯當(dāng)N/P=1.0容量保持率最低，當(dāng)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電池循環(huán)曲線

N/P比對電池阻抗的影響

按照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行N/P比=0.8,1.2,1.6,1.8時(shí)候，電池SOC=50%，組裝電池測試電池的EIS如下所示

圖7EIS圖譜測試曲線

由圖可知，當(dāng)N/P比=0.8時(shí)，小半圓的半徑最大，N/P比=1.6時(shí)候小半圓半徑最小，從小到大排列順序?yàn)椋篟0.8>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(fù)極容量的增加，電極表面SEI膜阻抗先減小后增大，當(dāng)N/P比=1.2和1.6的時(shí)候R最小。

結(jié)語

筆者認(rèn)為NP比從實(shí)際生產(chǎn)，電池倍率，電池循環(huán)，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(shí)際的電芯設(shè)計(jì)參數(shù)，但是由于電池材料體系比較復(fù)雜，又有著各種復(fù)雜的運(yùn)用方式，以理論與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合才能設(shè)計(jì)出最好的中國芯!