리튬이온 배터리의 음/양 비율은 핵심 설계 변수로, 배터리 용량 설계에서 양극 소재에 대한 음극 소재의 용량 비율을 의미합니다.
1 정의 및 계산방법
N/P 비율은 일반적으로 음극 재료가 충전 중에 양극 재료에 의해 방출된 리튬 이온을 수용할 수 있는 충분한 용량을 갖도록 하기 위해 사용되는 양극 용량에 대한 음극 용량의 비율로 정의됩니다. 계산 공식은 다음과 같습니다.
N/P=음극 활물질 그램 용량 x 음극 표면 밀도 x 음극 활물질 함량 비율 ¼ (양극 활물질 그램 용량 x 양극 표면 밀도 x 양극 활물질 함량 비율)
2 영향 요인
첫 번째 효과:양극과 음극의 실제 용량에 영향을 미치는 첫 번째 쿨롱 효율을 나타냅니다. 재료 공급업체로부터 얻은 그램 용량 데이터는 종종 활성 물질의 절반 전기 그램 용량만 고려하는 반면, 실제 전체 셀 그램 용량은 전도성 물질, 접착제, 집전체, 분리막, 전해질 등과 같은 요인의 영향도 받습니다. , 실제 풀셀 그램 용량과 디자인 그램 용량에는 차이가 있습니다.
조립 과정:원통형 배터리와 각형 배터리 간에 N/P 비율 설계에 차이가 있는데, 이는 주로 양극판과 음극판 사이의 접촉이 단단하기 때문입니다.
화학 전환 과정:화학적 전환 과정은 N/P 비율에도 영향을 미칩니다. 이는 첫 번째 효과에 영향을 미치고 따라서 그램 용량의 성능에 영향을 미치기 때문입니다.
사이클 성능:사이클 수명은 배터리 성능을 측정하는 중요한 지표 중 하나입니다. 양극이 빠르게 붕괴되는 경우 N/P 비율을 더 낮게 설계하여 양극이 얕은 전하 방전 상태가 되도록 해야 합니다. 반대로, 음극이 빠르게 붕괴되는 경우, 음극이 얕은 전하 방전 상태를 유지하도록 N/P 비율을 더 높게 설계해야 합니다.
보안:보안은 루프 성능보다 더 중요한 지표입니다. N/P 비율 설계에서는 완제품의 안전 성능을 고려해야 할 뿐만 아니라 사전 충전 중에 배터리 셀에서 리튬 침전 및 발열이 발생하지 않도록 해야 합니다.
3 배터리 성능에 미치는 영향
N/P 비율이 너무 높음:
과도한 음극 방전은 음극의 얕은 충전 및 방전과 양극의 깊은 충전 및 방전을 유발할 수 있습니다.
완전히 충전된 음극은 리튬 증착이 덜 되므로(연질 및 경질 탄소와 LTO 재료와 같은 일부 재료도 리튬 증착을 거치지 않음) 더 안전합니다.
그러나 양극의 산화 상태 증가는 실제로 안전 위험을 증가시킵니다.
음극의 초기 효과가 변하지 않기 때문에 더 많은 부분이 반응해야 하며 동시에 동역학의 영향으로 양극 용량이 낮아집니다.
양극재의 산화 상태가 증가하면 양극 분말이 호일로부터 탈리되고, 분리막이 황변되며, 내부 저항이 증가하고, 고온 조건에서 순환 불량이 발생할 수 있다.
N/P 비율이 너무 낮음:
음극 용량이 부족하면 충전 중에 양극에서 방출된 리튬 이온이 과도하게 음극 표면에 석출되어 리튬 수상돌기가 형성될 수 있으며, 이는 배터리 내부 단락을 쉽게 일으키고 배터리의 안전 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
방출된 과잉 Li는 음극 표면에 리튬염을 증착하기 위한 Li 공급원을 제공하며, 리튬염이 연속적으로 증착되면 사이클링 실패가 발생합니다.
4 실제 적용 시 고려사항
흑연 음극 배터리:N/P 비율은 일반적으로 1.0보다 크며 일반적으로 1.04-1.20 사이에서 제어되며 주로 음극에서 리튬 증착을 방지하기 위한 안전 설계를 위해 사용됩니다. 설계 시 코팅 편차 등 공정 능력을 고려해야 합니다.
리튬 티타네이트 음극 배터리:양극 과잉 설계를 채택하여 배터리 용량은 티탄산리튬 음극의 용량에 따라 결정됩니다. 양극의 과도한 설계는 고온 가스가 주로 음극에서 발생하기 때문에 전지의 고온 성능을 향상시키는 데 유리합니다. 양극을 과도하게 설계하면 음극 전위가 낮아져 티탄산리튬 표면에 SEI 피막이 형성되기 쉬워진다.
5 동적 가변성
N/P 비율은 동적으로 변경되는 매개변수입니다. 배터리의 충전/방전 주기 동안 양극과 음극의 가역 비용량 및/또는 전극 활물질의 음극 질량 부하의 변화로 인해 N/P 비율이 지속적으로 변화할 수 있습니다. 또한 전체 배터리의 초기 비가역 용량, 충전 차단 전압, 전류 밀도, 주변 온도, 배터리 노후화 등의 요인도 N/P 비율의 변화에 영향을 미칠 수 있습니다.
리튬 이온 배터리의 N/P 비율은 배터리 설계에서 중요하고 복잡한 매개변수입니다. 배터리 전체의 N/P 비율을 설계하기에 앞서, 양극재와 음극재의 특성, N/P 비율에 영향을 미치는 다양한 요인들을 충분히 이해하는 것이 배터리의 성능과 안전성을 확보하는 데 필수적입니다.