鉅大LARGE | 點擊量：6888次 | 2020年03月27日
關于鋰電池N/P動態變化參數詳解
在鋰離子電池設計時，負極（NE）和正極（PE）的容量平衡被認為是一個關鍵點。析鋰是電池老化衰減和安全劣化過程，為了避免這種析鋰風險，獲取更好的安全性和電化學性能，負極一般需要過量設計，具體包括負極尺寸過量（overhang）和正負極對應面積內的容量過量（N/P）。
N/P比（Negative/Positive）應該是在同一階段內，相同的操作條件下，負極可逆面容量與正極可逆面容量的比值。電池設計時，若正極過量，充電過程中由正極脫出的多余鋰離子在負極表面析出形成鋰枝晶，容易引發電池內短路，從而影響電池安全性能；若負極過量太多，則又會造成庫倫效率下降，影響電池的容量發揮。
N/P定義為：
其中，q是活性材料比容量(mAh/g)，m是活性物質的面積載荷(g/cm2)，下標NE、PE分別表示負極、正極。良好的電池設計應確保正極容量全部使用而負極電壓又不會析鋰。目前，實際商業化電池中，N/P比值一般會控制在1.03-1.2之間。
實際的容量比N/P是一個不確定的值。比容量由正、負極電勢決定，而全電池中，這個實際電勢范圍并不是完全知道的。而且，活性物質的面載荷也是受到工藝過程控制的，比如涂布量的穩定性，輥壓延展降低面密度，厚電極涂層的實際利用率，卷繞拐角處的面密度變化。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
N/P比設計還需要考慮全電池的初始不可逆容量，當電池充電時，正極材料的晶體結構隨著鋰脫出而改變，因此在之后的鋰化期間不能完全返回到初始結構，導致正極的初始不可逆容量。而石墨負極的初始不可逆容量主要是表面SEI形成消耗活性鋰極。當正極的不可逆容量大于負極的不可逆容量時，全電池的初始不可逆容量由正極確定，即不能返回正極初始結構的鋰足以形成SEI膜。相反，當正極的不可逆容量小于負極的不可逆容量時，全電池的初始不可逆容量由負電極確定，除了不能返回正極的鋰之后還要消耗部分活性鋰形成SEI膜。因此，如圖2所示，某一種正極匹配不同比表面積的負極材料時，負極形成SEI膜造成不可逆容量損失，比表面積越大，負極不可逆容量越大。全電池中負極比表面積存在一個臨界值，負極材料比表面積小于此值時全電池的不可逆容量由正極決定；大于此值時全電池的不可逆容量由負極決定。
N/P<1時，充電負極電勢容易降低0V以下，導致負極表面析鋰；高N/P比的電池在給定的充電截止電壓下能抑制析鋰，但是高N/P比將導致正極的過充電，這不僅降低了正極材料的晶體結構穩定性，而且還會氧化分解有機電解質溶劑。
電池在充電/放電循環期間，正、負電極的可逆比容量和/或極片活性物質負質量載的變化都會導致N/P比的連續變化。因此，N/P比是全電池的動態變化值，受到截止電壓、電流密度、環境溫度、電池老化等的影響。
全電池充電截止電壓會改變正負電極的電勢，從而改變比容量，進一步導致N/P比變化。例如圖4所示，LiCoO2|石墨電池的結果表明，隨著充電電壓的增加，實際的N/P比逐漸降低，因為正極的容量隨著充電電壓的增加而增加。
通常，倍率的增加或低的環境溫度也會導致容量的降低，當正極和負極的容量衰減率不同時，N/P比就同樣發生變化。Mao（Maoetal.，2018）報道，當鋰化率超過1C時，石墨陽極表現出更快的容量下降。相反，隨著充電速率從C/10增加到4C，NMC811陰極表現出較小的容量損失。在C/10的低速率下，N/P比為1.15。然而，石墨在高速下的快速容量褪色導致N/P比在3C下降到1.0并且在4C下降到0.5，導致在陽極上嚴重的Li金屬沉積。
在老化過程中，正負容量衰減率的差異也將導致N/P比變化。對于富鎳正極和石墨基負極材料體系，由于晶體結構的崩潰和金屬離子在電解質中的溶解，正極材料趨于更快地衰變所以N/P比率通常會越來越高。然而，在Si基負極的情況下，由于材料脫落和由體積膨脹和粉化引起的SEI的連續裂化和再生成，負極材料衰減得更快導致越來越低的N/P比。
因此，N/P比是電池設計中一個重要而復雜的參數。在設計全電池的N/P比之前，我們必須充分了解陰極和陽極材料的特性，包括不可逆容量，速率性能，溫度依賴性能，老化機理等。考慮到N/P比的動態變化，需要仔細設定合理，安全的比值。隨著新能源汽車的快速發展，關于動力電池安全的技術路線成為近期熱議的話題。據業內人士介紹，目前動力電池性能已經大幅提升，全面達到甚至超過“十二五”新能源汽車重點專項規定的指標，電池組模塊最高達到140Wh/kg。
當然，提升比能量的同時，電池的安全技術也取得了一些重要進展。從2015年裝車量的實際情況來看，以純電動12米大客車為例，采用磷酸鐵鋰材料的動力電池占比94%以上。
總體來看，現有產品和動力電池的產量分布是中國動力電池技術研發產業化結果的一種反應，格局合理。專家表示，隨著各種新型鋰離子電池的研發進展，今后動力電池裝車的格局會動態變化，更高性能的電池會逐步出現。
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