リチウムイオン電池の負極/正極比は重要な設計パラメータであり、電池容量設計における正極材料に対する負極材料の容量比を指します。
1 定義と計算方法
N/P比は通常、負極容量と正極容量の比として定義され、充電中に正極材料から放出されるリチウムイオンを負極材料が受け入れるのに十分な容量を確保するために使用されます。計算式は次のとおりです。
N/P=負極活物質のグラム容量 × 負極面密度 × 負極活物質含有率 ÷ (正極活物質のグラム容量 × 正極面密度 × 正極活物質含有率)
2 影響を与える要因
最初の効果:は最初のクーロン効率を指し、正極と負極の実際の容量に影響します。材料サプライヤーから得られるグラム容量データは、多くの場合、活物質の電気グラム容量の半分のみを考慮していますが、実際の全セルのグラム容量は、導電剤、接着剤、集電体、セパレーター、電解質などの要因にも影響されます。実際の全セルのグラム容量と設計上のグラム容量には差があります。
組み立てプロセス:円筒型電池と角型電池では N/P 比の設計に違いがあり、これは主に正極板と負極板の接触の強さによるものです。
化学変換プロセス:化学変換プロセスは、最初の効果に影響を及ぼし、グラム容量の性能に影響を与えるため、N/P 比にも影響します。
サイクルパフォーマンス:サイクル寿命は、バッテリーの性能を測定するための重要な指標の 1 つです。正極が急速に劣化する場合は、N/P 比を低く設計して、正極が浅い充放電状態になるようにする必要があります。逆に、負極の劣化が早い場合は、負極を浅い充放電状態に保つためにN/P比を高く設計する必要があります。
安全：セキュリティは、ループのパフォーマンスよりも重要な指標です。 N/P 比の設計では、完成品の安全性能を考慮するだけでなく、予備充電中のバッテリーセルでのリチウムの析出と発熱の発生を回避する必要もあります。
3 バッテリー性能への影響
N/P 比が高すぎる:
負極の過度の放電は、負極の浅い充放電と、正極の深い充放電を引き起こす可能性があります。
完全に充電された負極はリチウムが析出しにくいため (ソフトカーボンやハードカーボン、LTO 材料などの一部の材料もリチウムが析出しません)、より安全になります。
しかし、正極の酸化状態が増加すると、実際には安全上の危険が増大します。
負極の初期効果が変わらないため、より多くの部分を反応させる必要があり、同時に反応速度の影響により正極容量が低下します。
正極材料の酸化状態の増加は、箔からの正極粉末の剥離、セパレータの黄変、内部抵抗の増加、および高温条件下でのサイクル故障を引き起こす可能性があります。
N/P 比が低すぎる:
負極容量が不十分な場合、充電中に正極から放出された過剰なリチウムイオンが負極表面に析出し、リチウム樹枝状結晶が形成され、バッテリーの内部短絡が発生しやすくなり、安全性能に影響を与える可能性があります。
放出された過剰な Li は、負極表面にリチウム塩を堆積させるための Li 源を提供し、リチウム塩の継続的な堆積はサイクル故障につながります。
4 実際のアプリケーションにおける考慮事項
黒鉛負極電池：N/P 比は一般に 1.0 より大きく、主に負極からのリチウムの析出を防ぐ安全設計のために、通常は 1.04-1.20 の間に制御されます。設計時には、コーティングのずれなどのプロセス能力を考慮する必要があります。
チタン酸リチウム負極電池：正極余剰設計を採用しており、電池容量はチタン酸リチウム負極の容量で決まります。高温ガスは主に負極から発生するため、正極の過剰な設計は電池の高温性能を向上させるのに有益です。正極を過度に設計すると負極電位が低下し、チタン酸リチウム表面にSEI膜が形成されやすくなります。
5 動的変動性
N/P 比は動的に変化するパラメーターです。バッテリーの充電/放電サイクル中に、正極と負極の可逆比容量や電極活物質の負の質量負荷が変化すると、N/P 比が連続的に変化する可能性があります。さらに、バッテリー全体の初期不可逆容量、充電カットオフ電圧、電流密度、周囲温度、バッテリーの経年劣化などの要因も、N/P 比の変化に影響を与える可能性があります。
リチウムイオン電池の N/P 比は、電池設計における重要かつ複雑なパラメータです。電池全体のN/P比を設計する前に、電池の性能と安全性を確保するために、正極材料と負極材料の特性、およびN/P比に影響を与えるさまざまな要因を十分に理解する必要があります。