Η αρνητική/θετική αναλογία των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι μια βασική παράμετρος σχεδιασμού, η οποία αναφέρεται στην αναλογία χωρητικότητας του υλικού αρνητικού ηλεκτροδίου σε σχέση με το υλικό θετικού ηλεκτροδίου στο σχεδιασμό χωρητικότητας μπαταρίας.
1 Ορισμός και Μέθοδος Υπολογισμού
Ο λόγος N/P ορίζεται συνήθως ως ο λόγος της χωρητικότητας του αρνητικού ηλεκτροδίου προς τη χωρητικότητα του θετικού ηλεκτροδίου, που χρησιμοποιείται για να διασφαλιστεί ότι το υλικό του αρνητικού ηλεκτροδίου έχει επαρκή χωρητικότητα για να δεχτεί τα ιόντα λιθίου που απελευθερώνονται από το υλικό του θετικού ηλεκτροδίου κατά τη φόρτιση. Ο τύπος υπολογισμού είναι:
N/P=χωρητικότητα γραμμαρίων ενεργού υλικού αρνητικού ηλεκτροδίου x επιφανειακή πυκνότητα αρνητικού ηλεκτροδίου x αναλογία περιεκτικότητας ενεργού υλικού αρνητικού ηλεκτροδίου ÷ (χωρητικότητα γραμμαρίων ενεργού υλικού θετικού ηλεκτροδίου x επιφανειακή πυκνότητα θετικού ηλεκτροδίου x λόγος περιεκτικότητας ενεργού υλικού θετικού ηλεκτροδίου)
2 Παράγοντες που επηρεάζουν
Πρώτο αποτέλεσμα:αναφέρεται στην πρώτη κουλομβική απόδοση, η οποία επηρεάζει την πραγματική χωρητικότητα των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων. Τα δεδομένα χωρητικότητας γραμμαρίων που λαμβάνονται από προμηθευτές υλικού συχνά λαμβάνουν υπόψη μόνο το μισό ηλεκτρικό γραμμάριο χωρητικότητας της δραστικής ουσίας, ενώ η πραγματική χωρητικότητα σε γραμμάρια πλήρους κυψέλης επηρεάζεται επίσης από παράγοντες όπως αγώγιμους παράγοντες, κόλλες, συλλέκτες ρεύματος, διαχωριστές, ηλεκτρολύτες κ.λπ. , υπάρχει διαφορά μεταξύ της πραγματικής χωρητικότητας σε γραμμάρια πλήρους κυψέλης και της χωρητικότητας γραμμαρίων σχεδιασμού.
Διαδικασία συναρμολόγησης:Υπάρχουν διαφορές στη σχεδίαση του λόγου N/P μεταξύ κυλινδρικών και τετράγωνων μπαταριών, κυρίως λόγω της στεγανότητας της επαφής μεταξύ των πλακών θετικού και αρνητικού ηλεκτροδίου.
Διαδικασία χημικής μετατροπής:Η διαδικασία χημικής μετατροπής επηρεάζει επίσης την αναλογία N/P, καθώς επηρεάζει το πρώτο αποτέλεσμα και επομένως επηρεάζει την απόδοση της χωρητικότητας γραμμαρίων.
Απόδοση κύκλου:Η διάρκεια ζωής του κύκλου είναι ένας από τους σημαντικούς δείκτες για τη μέτρηση της απόδοσης της μπαταρίας. Εάν το θετικό ηλεκτρόδιο αποσυντίθεται γρήγορα, η αναλογία N/P θα πρέπει να σχεδιαστεί ώστε να είναι χαμηλότερη, επιτρέποντας στο θετικό ηλεκτρόδιο να βρίσκεται σε κατάσταση ρηχής εκφόρτισης φορτίου. Αντίθετα, εάν το αρνητικό ηλεκτρόδιο αποσυντίθεται γρήγορα, η αναλογία N/P θα πρέπει να σχεδιαστεί υψηλότερη ώστε να διατηρείται το αρνητικό ηλεκτρόδιο σε μια ρηχή κατάσταση εκφόρτισης φορτίου.
Ασφάλεια:Η ασφάλεια είναι πιο σημαντικός δείκτης από την απόδοση του βρόχου. Ο σχεδιασμός της αναλογίας N/P δεν θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη μόνο την απόδοση ασφάλειας του τελικού προϊόντος, αλλά και να αποφεύγει την εμφάνιση εναπόθεσης λιθίου και παραγωγής θερμότητας στις κυψέλες της μπαταρίας κατά την προφόρτιση.
3 Ο αντίκτυπος στην απόδοση της μπαταρίας
Πολύ υψηλός λόγος N/P:
Η υπερβολική εκφόρτιση αρνητικού ηλεκτροδίου μπορεί να προκαλέσει ρηχή φόρτιση και εκφόρτιση του αρνητικού ηλεκτροδίου και βαθιά φόρτιση και εκφόρτιση του θετικού ηλεκτροδίου.
Το πλήρως φορτισμένο αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι λιγότερο επιρρεπές σε εναπόθεση λιθίου (ορισμένα υλικά όπως ο μαλακός και σκληρός άνθρακας και τα υλικά LTO επίσης δεν υφίστανται εναπόθεση λιθίου), καθιστώντας το ασφαλέστερο.
Αλλά η αύξηση της κατάστασης οξείδωσης του θετικού ηλεκτροδίου στην πραγματικότητα αυξάνει τους κινδύνους για την ασφάλεια.
Λόγω της αμετάβλητης αρχικής επίδρασης του αρνητικού ηλεκτροδίου, το μεγαλύτερο μέρος πρέπει να αντιδράσει και ταυτόχρονα, λόγω της επίδρασης της κινητικής, η χωρητικότητα του θετικού ηλεκτροδίου θα είναι μικρότερη.
Η αύξηση της κατάστασης οξείδωσης του υλικού του θετικού ηλεκτροδίου μπορεί να οδηγήσει σε αποκόλληση της σκόνης θετικού ηλεκτροδίου από το φύλλο, κιτρίνισμα του διαχωριστή, αυξημένη εσωτερική αντίσταση και κυκλική αστοχία υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας.
Πολύ χαμηλός λόγος N/P:
Η ανεπαρκής χωρητικότητα του αρνητικού ηλεκτροδίου μπορεί να προκαλέσει την κατακρήμνιση περίσσειας ιόντων λιθίου που απελευθερώνονται από το θετικό ηλεκτρόδιο κατά τη φόρτιση στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτροδίου και να σχηματίσουν δενδρίτες λιθίου, που μπορούν εύκολα να προκαλέσουν εσωτερικά βραχυκυκλώματα στην μπαταρία και να επηρεάσουν την απόδοση ασφαλείας της.
Η περίσσεια Li που απελευθερώνεται παρέχει μια πηγή Li για την εναπόθεση αλάτων λιθίου στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτροδίου και η συνεχής εναπόθεση αλάτων λιθίου οδηγεί σε αστοχία του κύκλου.
4 Σκέψεις σε πρακτικές εφαρμογές
Μπαταρίες αρνητικών ηλεκτροδίων γραφίτη:Ο λόγος N/P είναι γενικά μεγαλύτερος από 1.0, συνήθως ελέγχεται μεταξύ 1.04-1.20, κυρίως για σχεδιασμό ασφαλείας για την αποφυγή εναπόθεσης λιθίου από το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Κατά το σχεδιασμό, θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η ικανότητα της διαδικασίας, όπως η απόκλιση επίστρωσης.
Μπαταρία αρνητικού ηλεκτροδίου τιτανικού λιθίου:υιοθετώντας ένα σχέδιο περίσσειας θετικού ηλεκτροδίου, η χωρητικότητα της μπαταρίας καθορίζεται από την χωρητικότητα του αρνητικού ηλεκτροδίου τιτανικού λιθίου. Ο υπερβολικός σχεδιασμός του θετικού ηλεκτροδίου είναι ευεργετικός για τη βελτίωση της απόδοσης της μπαταρίας σε υψηλή θερμοκρασία, καθώς το αέριο υψηλής θερμοκρασίας προέρχεται κυρίως από το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Όταν το θετικό ηλεκτρόδιο σχεδιάζεται υπερβολικά, το δυναμικό του αρνητικού ηλεκτροδίου είναι χαμηλότερο, καθιστώντας ευκολότερο το σχηματισμό ενός φιλμ SEI στην επιφάνεια του τιτανικού λιθίου.
5 Δυναμική μεταβλητότητα
Ο λόγος N/P είναι μια δυναμικά μεταβαλλόμενη παράμετρος. Κατά τη διάρκεια του κύκλου φόρτισης/εκφόρτισης της μπαταρίας, αλλαγές στην αναστρέψιμη ειδική χωρητικότητα των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων ή/και στο αρνητικό φορτίο μάζας του ενεργού υλικού του ηλεκτροδίου μπορεί να οδηγήσουν σε συνεχείς διακυμάνσεις της αναλογίας N/P. Επιπλέον, παράγοντες όπως η αρχική μη αναστρέψιμη χωρητικότητα ολόκληρης της μπαταρίας, η τάση διακοπής φόρτισης, η πυκνότητα ρεύματος, η θερμοκρασία περιβάλλοντος και η γήρανση της μπαταρίας μπορούν επίσης να επηρεάσουν τις αλλαγές στον λόγο N/P.
Η αναλογία N/P των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι μια σημαντική και πολύπλοκη παράμετρος στο σχεδιασμό των μπαταριών. Πριν σχεδιαστεί η αναλογία N/P ολόκληρης της μπαταρίας, είναι απαραίτητο να κατανοηθούν πλήρως τα χαρακτηριστικά των υλικών καθόδου και ανόδου, καθώς και διάφοροι παράγοντες που επηρεάζουν την αναλογία N/P, για να διασφαλιστεί η απόδοση και η ασφάλεια της μπαταρίας.