Le rapport négatif/positif des batteries lithium-ion est un paramètre de conception clé, qui fait référence au rapport de capacité du matériau de l'électrode négative par rapport au matériau de l'électrode positive dans la conception de la capacité de la batterie.
1 Définition et méthode de calcul
Le rapport N/P est généralement défini comme le rapport entre la capacité de l'électrode négative et la capacité de l'électrode positive, utilisé pour garantir que le matériau de l'électrode négative a une capacité suffisante pour accepter les ions lithium libérés par le matériau de l'électrode positive pendant la charge. La formule de calcul est :
N/P=capacité en grammes du matériau actif de l'électrode négative x densité superficielle de l'électrode négative x rapport de la teneur en matière active de l'électrode négative ÷ (capacité en grammes du matériau actif de l'électrode positive x densité superficielle de l'électrode positive x rapport de la teneur en matière active de l'électrode positive)
2 Facteurs d'influence
Premier effet :fait référence à la première efficacité coulombienne, qui affecte la capacité réelle des électrodes positives et négatives. Les données de capacité en grammes obtenues auprès des fournisseurs de matériaux ne prennent souvent en compte que la capacité en grammes d'un demi-gramme électrique de la substance active, tandis que la capacité en grammes réelle de la cellule entière est également affectée par des facteurs tels que les agents conducteurs, les adhésifs, les collecteurs de courant, les séparateurs, les électrolytes, etc. , il existe une différence entre la capacité réelle en grammes de la cellule entière et la capacité nominale en grammes.
Processus d'assemblage :Il existe des différences dans la conception du rapport N/P entre les batteries cylindriques et carrées, principalement en raison de l'étanchéité du contact entre les plaques d'électrode positive et négative.
Processus de conversion chimique :Le processus de conversion chimique affecte également le rapport N/P, car il affecte le premier effet et affecte ainsi les performances de la capacité en grammes.
Performances cycliques :La durée de vie est l'un des indicateurs importants pour mesurer les performances de la batterie. Si l'électrode positive se désintègre rapidement, le rapport N/P doit être conçu pour être inférieur, permettant à l'électrode positive d'être dans un état de décharge de charge superficiel ; Au contraire, si l’électrode négative se désintègre rapidement, le rapport N/P doit être conçu plus haut pour maintenir l’électrode négative dans un état de décharge de charge superficiel.
Sécurité:La sécurité est un indicateur plus important que les performances de la boucle. La conception du rapport N/P doit non seulement tenir compte des performances de sécurité du produit fini, mais également éviter l'apparition de dépôts de lithium et de génération de chaleur dans les cellules de la batterie pendant la précharge.
3 L'impact sur les performances de la batterie
Rapport N/P trop élevé :
Une décharge excessive de l'électrode négative peut provoquer une charge et une décharge superficielles de l'électrode négative et une charge et une décharge profondes de l'électrode positive.
L'électrode négative entièrement chargée est moins sujette au dépôt de lithium (certains matériaux tels que le carbone mou et dur et les matériaux LTO ne subissent pas non plus de dépôt de lithium), ce qui la rend plus sûre.
Mais l’augmentation de l’état d’oxydation de l’électrode positive augmente en réalité les risques pour la sécurité.
En raison de l'effet initial inchangé de l'électrode négative, plus il faut réagir, et en même temps, en raison de l'influence de la cinétique, la capacité de l'électrode positive sera inférieure.
L'augmentation de l'état d'oxydation du matériau de l'électrode positive peut entraîner un détachement de la poudre d'électrode positive de la feuille, un jaunissement du séparateur, une augmentation de la résistance interne et une défaillance cyclique dans des conditions de température élevée.
Rapport N/P trop faible :
Une capacité insuffisante de l'électrode négative peut provoquer la précipitation d'un excès d'ions lithium libérés par l'électrode positive pendant la charge sur la surface de l'électrode négative et la formation de dendrites de lithium, ce qui peut facilement provoquer des courts-circuits internes dans la batterie et affecter ses performances de sécurité.
L'excès de Li libéré fournit une source de Li pour le dépôt de sels de lithium sur la surface de l'électrode négative, et le dépôt continu de sels de lithium conduit à une défaillance du cyclage.
4 Considérations dans les applications pratiques
Batteries à électrode négative en graphite :Le rapport N/P est généralement supérieur à 1.0, généralement contrôlé entre 1.04-1.20, principalement pour une conception de sécurité afin d'empêcher le dépôt de lithium à partir de l'électrode négative. Lors de la conception, la capacité du processus doit être prise en compte, telle que l'écart de revêtement.
Batterie à électrode négative au titanate de lithium :En adoptant une conception en excès d'électrode positive, la capacité de la batterie est déterminée par la capacité de l'électrode négative en titanate de lithium. La conception excessive de l'électrode positive est bénéfique pour améliorer les performances à haute température de la batterie, car le gaz à haute température provient principalement de l'électrode négative. Lorsque l'électrode positive est excessivement conçue, le potentiel de l'électrode négative est plus faible, ce qui facilite la formation d'un film SEI à la surface du titanate de lithium.
5 Variabilité dynamique
Le rapport N/P est un paramètre qui évolue dynamiquement. Pendant le cycle de charge/décharge de la batterie, des modifications de la capacité spécifique réversible des électrodes positives et négatives et/ou de la charge massique négative du matériau actif de l'électrode peuvent conduire à des variations continues du rapport N/P. De plus, des facteurs tels que la capacité initiale irréversible de l'ensemble de la batterie, la tension de coupure de charge, la densité de courant, la température ambiante et le vieillissement de la batterie peuvent également affecter les modifications du rapport N/P.
Le rapport N/P des batteries lithium-ion est un paramètre important et complexe dans la conception des batteries. Avant de concevoir le rapport N/P de l'ensemble de la batterie, il est nécessaire de bien comprendre les caractéristiques des matériaux de la cathode et de l'anode, ainsi que divers facteurs qui affectent le rapport N/P, pour garantir les performances et la sécurité de la batterie.