Negativan/pozitivan omjer litij-ionskih baterija ključni je parametar dizajna, koji se odnosi na omjer kapaciteta materijala negativne elektrode u odnosu na materijal pozitivne elektrode u dizajnu kapaciteta baterije.
1 Definicija i metoda izračuna
Omjer N/P obično se definira kao omjer kapaciteta negativne elektrode i kapaciteta pozitivne elektrode, koji se koristi kako bi se osiguralo da materijal negativne elektrode ima dovoljan kapacitet da prihvati litijeve ione koje oslobađa materijal pozitivne elektrode tijekom punjenja. Formula za izračun je:
N/P=kapacitet aktivnog materijala negativne elektrode u gramu x površinska gustoća negativne elektrode x omjer sadržaja aktivnog materijala negativne elektrode ÷ (kapacitet aktivnog materijala pozitivne elektrode u gramu x površinska gustoća pozitivne elektrode x omjer sadržaja aktivnog materijala pozitivne elektrode)
2 Čimbenici utjecaja
Prvi učinak:odnosi se na prvu kulonovsku učinkovitost, koja utječe na stvarni kapacitet pozitivne i negativne elektrode. Podaci o gramskom kapacitetu dobiveni od dobavljača materijala često uzimaju u obzir samo polovicu električnog gramskog kapaciteta aktivne tvari, dok na stvarni puni kapacitet stanice u gramima također utječu čimbenici kao što su vodljivi agensi, ljepila, kolektori struje, separatori, elektroliti itd. Stoga , postoji razlika između stvarnog punog kapaciteta stanica u gramu i planiranog kapaciteta u gramu.
Proces sklapanja:Postoje razlike u dizajnu omjera N/P između cilindričnih i četvrtastih baterija, uglavnom zbog nepropusnosti kontakta između ploče pozitivne i negativne elektrode.
Proces kemijske pretvorbe:Proces kemijske pretvorbe također utječe na omjer N/P, jer utječe na prvi učinak, a time i na performanse kapaciteta grama.
Izvedba ciklusa:Životni vijek jedan je od važnih pokazatelja za mjerenje performansi baterije. Ako se pozitivna elektroda brzo raspada, omjer N/P trebao bi biti projektiran tako da bude niži, dopuštajući pozitivnoj elektrodi da bude u stanju plitkog pražnjenja; Naprotiv, ako se negativna elektroda brzo raspada, omjer N/P trebao bi biti projektiran viši kako bi negativna elektroda ostala u stanju plitkog pražnjenja.
Sigurnost:Sigurnost je važniji pokazatelj od izvedbe petlje. Dizajn omjera N/P ne bi trebao uzeti u obzir samo sigurnosnu izvedbu gotovog proizvoda, već također treba izbjeći pojavu taloženja litija i stvaranje topline u baterijskim ćelijama tijekom prethodnog punjenja.
3 Utjecaj na performanse baterije
Omjer N/P previsok:
Pretjerano pražnjenje negativne elektrode može uzrokovati plitko punjenje i pražnjenje negativne elektrode i duboko punjenje i pražnjenje pozitivne elektrode.
Potpuno napunjena negativna elektroda manje je sklona taloženju litija (neki materijali poput mekog i tvrdog ugljika i LTO materijala također ne podliježu taloženju litija), što je čini sigurnijom.
Ali povećanje oksidacijskog stanja pozitivne elektrode zapravo povećava sigurnosne opasnosti.
Zbog nepromijenjenog početnog učinka negativne elektrode potrebno je reagirati veći dio, a istovremeno će zbog utjecaja kinetike kapacitet pozitivne elektrode biti manji.
Povećanje oksidacijskog stanja materijala pozitivne elektrode može dovesti do odvajanja praha pozitivne elektrode od folije, žutila separatora, povećanog unutarnjeg otpora i cikličkog kvara pod uvjetima visoke temperature.
N/P omjer prenizak:
Nedovoljan kapacitet negativne elektrode može uzrokovati da se višak litijevih iona otpuštenih iz pozitivne elektrode tijekom punjenja taloži na površini negativne elektrode i formira litijeve dendrite, što može lako uzrokovati unutarnje kratke spojeve u bateriji i utjecati na njenu sigurnosnu izvedbu.
Višak otpuštenog Li osigurava izvor Li za taloženje litijevih soli na površini negativne elektrode, a kontinuirano taloženje litijevih soli dovodi do kvara ciklusa.
4 Razmatranja u praktičnim primjenama
Baterije s grafitnom negativnom elektrodom:Omjer N/P općenito je veći od 1.0, obično se kontrolira između 1.04-1.20, uglavnom za sigurnosni dizajn kako bi se spriječilo taloženje litija s negativne elektrode. Prilikom projektiranja treba uzeti u obzir sposobnost procesa, kao što je odstupanje premaza.
Baterija negativne elektrode litij titanat:prihvaćajući dizajn viška pozitivne elektrode, kapacitet baterije određen je kapacitetom negativne elektrode litij-titanata. Prekomjerni dizajn pozitivne elektrode je koristan za poboljšanje performansi baterije pri visokim temperaturama, budući da plin visoke temperature uglavnom dolazi od negativne elektrode. Kada je pozitivna elektroda pretjerano dizajnirana, potencijal negativne elektrode je niži, što olakšava stvaranje SEI filma na površini litijevog titanata.
5 Dinamička varijabilnost
N/P omjer je parametar koji se dinamički mijenja. Tijekom ciklusa punjenja/pražnjenja baterije, promjene u reverzibilnom specifičnom kapacitetu pozitivne i negativne elektrode i/ili negativnog masenog opterećenja aktivnog materijala elektrode mogu dovesti do kontinuiranih varijacija u omjeru N/P. Osim toga, čimbenici kao što su početni ireverzibilni kapacitet cijele baterije, napon prekida punjenja, gustoća struje, temperatura okoline i starenje baterije također mogu utjecati na promjene u omjeru N/P.
N/P omjer litij-ionskih baterija važan je i složen parametar u dizajnu baterija. Prije projektiranja N/P omjera cijele baterije, potrebno je u potpunosti razumjeti karakteristike materijala katode i anode, kao i različite čimbenike koji utječu na N/P omjer, kako bi se osigurala učinkovitost i sigurnost baterije.