Negativno/pozitivno razmerje litij-ionskih baterij je ključni konstrukcijski parameter, ki se nanaša na razmerje zmogljivosti materiala negativne elektrode glede na material pozitivne elektrode pri načrtovanju zmogljivosti baterije.
1 Definicija in metoda izračuna
Razmerje N/P je običajno definirano kot razmerje med kapaciteto negativne elektrode in kapaciteto pozitivne elektrode, ki se uporablja za zagotovitev, da ima material negativne elektrode zadostno zmogljivost za sprejem litijevih ionov, ki jih med polnjenjem sprosti material pozitivne elektrode. Formula za izračun je:
N/P=gramska zmogljivost aktivnega materiala negativne elektrode x površinska gostota negativne elektrode x razmerje vsebnosti aktivnega materiala negativne elektrode ÷ (gramska zmogljivost aktivnega materiala pozitivne elektrode x površinska gostota pozitivne elektrode x razmerje vsebnosti aktivnega materiala pozitivne elektrode)
2 Vplivni dejavniki
Prvi učinek:se nanaša na prvi kulonski izkoristek, ki vpliva na dejansko kapaciteto pozitivne in negativne elektrode. Podatki o gramski kapaciteti, pridobljeni od dobaviteljev materiala, pogosto upoštevajo le polovično električno gramsko kapaciteto aktivne snovi, medtem ko na dejansko polno celično gramsko kapaciteto vplivajo tudi dejavniki, kot so prevodna sredstva, lepila, odjemniki toka, separatorji, elektroliti itd. Zato , obstaja razlika med dejansko polno celično gramsko zmogljivostjo in načrtovano gramsko kapaciteto.
Postopek sestavljanja:Obstajajo razlike v zasnovi razmerja N/P med cilindričnimi in kvadratnimi baterijami, predvsem zaradi tesnosti stika med ploščo pozitivne in negativne elektrode.
Postopek kemične pretvorbe:Postopek kemične pretvorbe vpliva tudi na razmerje N/P, saj vpliva na prvi učinek in s tem vpliva na zmogljivost gramov.
Zmogljivost cikla:Življenjska doba baterije je eden od pomembnih indikatorjev za merjenje zmogljivosti baterije. Če pozitivna elektroda hitro propade, mora biti razmerje N/P zasnovano tako, da je nižje, kar omogoča, da je pozitivna elektroda v stanju plitvega praznjenja naboja; Nasprotno, če negativna elektroda hitro propade, mora biti razmerje N/P zasnovano višje, da ostane negativna elektroda v stanju plitvega praznjenja.
Varnost:Varnost je pomembnejši pokazatelj kot zmogljivost zanke. Zasnova razmerja N/P ne bi smela upoštevati le varnostne učinkovitosti končnega izdelka, temveč tudi preprečiti pojav odlaganja litija in ustvarjanje toplote v baterijskih celicah med predhodnim polnjenjem.
3 Vpliv na delovanje baterije
Previsoko razmerje N/P:
Prekomerna razelektritev negativne elektrode lahko povzroči plitvo polnjenje in praznjenje negativne elektrode ter globoko polnjenje in praznjenje pozitivne elektrode.
Popolnoma napolnjena negativna elektroda je manj nagnjena k odlaganju litija (nekateri materiali, kot so mehki in trdi ogljik ter materiali LTO, prav tako niso izpostavljeni odlaganju litija), zaradi česar je varnejša.
Toda povečanje oksidacijskega stanja pozitivne elektrode dejansko poveča varnostna tveganja.
Zaradi nespremenjenega začetnega učinka negativne elektrode mora večji del reagirati, hkrati pa bo zaradi vpliva kinetike manjša kapaciteta pozitivne elektrode.
Povečanje oksidacijskega stanja materiala pozitivne elektrode lahko privede do ločitve prahu pozitivne elektrode od folije, porumenelosti separatorja, povečanega notranjega upora in ciklične okvare pri visokih temperaturah.
Razmerje N/P prenizko:
Nezadostna kapaciteta negativne elektrode lahko povzroči, da se odvečni litijevi ioni, sproščeni iz pozitivne elektrode med polnjenjem, obarjajo na površini negativne elektrode in tvorijo litijeve dendrite, kar lahko zlahka povzroči notranje kratke stike v bateriji in vpliva na njeno varnost.
Presežek sproščenega litija zagotavlja vir litija za odlaganje litijevih soli na površini negativne elektrode, neprekinjeno odlaganje litijevih soli pa povzroči okvaro cikla.
4 Premisleki pri praktičnih aplikacijah
Baterije z grafitno negativno elektrodo:Razmerje N/P je na splošno večje od 1.0, običajno nadzorovano med 1.04-1.20, predvsem zaradi varnostne zasnove, da se prepreči odlaganje litija z negativne elektrode. Pri načrtovanju je treba upoštevati zmogljivost postopka, kot je odstopanje prevleke.
Baterija z negativno elektrodo iz litij-titanata:Če sprejmemo presežek pozitivne elektrode, je zmogljivost baterije določena z zmogljivostjo negativne elektrode iz litijevega titanata. Prekomerna zasnova pozitivne elektrode je koristna za izboljšanje delovanja baterije pri visokih temperaturah, saj visokotemperaturni plin v glavnem izvira iz negativne elektrode. Ko je pozitivna elektroda pretirano oblikovana, je potencial negativne elektrode nižji, zaradi česar je lažje oblikovati film SEI na površini litijevega titanata.
5 Dinamična variabilnost
Razmerje N/P je parameter, ki se dinamično spreminja. Med ciklom polnjenja/praznjenja baterije lahko spremembe reverzibilne specifične kapacitete pozitivne in negativne elektrode in/ali negativne masne obremenitve aktivnega materiala elektrode povzročijo stalne spremembe v razmerju N/P. Poleg tega lahko na spremembe v razmerju N/P vplivajo tudi dejavniki, kot so začetna ireverzibilna zmogljivost celotne baterije, izklopna napetost polnjenja, gostota toka, temperatura okolja in staranje baterije.
Razmerje N/P litij-ionskih baterij je pomemben in kompleksen parameter pri načrtovanju baterij. Pred načrtovanjem razmerja N/P celotne baterije je treba v celoti razumeti značilnosti katodnih in anodnih materialov ter različne dejavnike, ki vplivajo na razmerje N/P, da zagotovimo zmogljivost in varnost baterije.