创新N/P比设计与截止电压控制提升电池能量密度

创新N/P比设计与截止电压控制提升电池能量密度

高能量密度和安全标准是新能源汽车发展的基石，这要求动力电池设计能够更好地满足这些关键性能。本文介绍了一种新的N/P比设计方法——"水杯模型"，以及截止电压控制策略，这些创新可以提升电池能量密度而不影响安全性。

传统N/P比设计的局限性

传统的锂离子电池设计倾向于将N/P比设置在1.0-1.5之间，以确保负极容量过剩，防止锂沉积和枝晶形成。然而，这种策略可能会影响高温性能和电池容量，特别是在首次库伦效率降低的情况下，导致能量密度降低。目前，大多数研究机构都是通过反复实验来获得最佳的N/P比，这种方法增加了电芯开发成本。

"水杯模型"：一种创新的N/P比设计方法

研究者提出了一种新的N/P比设计方法，称之为"水杯模型"。这种方法可以在相同的正极材料和极片容量条件下，在不影响安全性的情况下将电池的比能量提高约5Wh/kg。

基于N/P设计原理的水杯模型示意图：(a)传统设计缺陷，(b)负极电极初始库仑效率高，(c)正极电极初始库仑效率高。

这种方法的核心在于，它能够显著提高能量密度，而无需对电池的内部结构进行大量修改。仅依靠对N/P比的精确控制，来确保能量密度的提高不会影响安全性。

实验设计与结果

研究者使用高镍9系正极材料和硅碳负极材料构建了一个完整的电池，并通过优化N/P比设计（实际值0.978）。该N/P比值挑战了传统观念，即N/P比必须大于1才能防止负极析锂。通过在2V至4.3V范围内调整截止电压，该研究表明，这种电池结构设计在安全充放电条件下显著提高了能量密度。

实验步骤

1. 扣式电池制备：

• 将活性物质、导电剂和粘合剂按8：1：1的特定质量比混合。
• 在800rpm初始搅拌30秒，1800 rpm密集搅拌300秒，然后800 rpm脱气泡30秒，重复5次以上。
• 经过涂层、干燥和切割后组装成纽扣电池。

2. 软包电池制备：

• 正极材料的充电克容量为244.2mAh/g，放电克容量为220.8mAh/g，初始库仑效率为90.4 %。
• 负极材料放电克容量为737.8mAh/g，充电克容量为650mAh/g，初始库伦效率为88.1%。
• 正极浆料活性材料的比例为97%，双面面密度420g/m2，负极浆料的活性材料比例为94.5%，双面面密度为142.7g/m2。
• 采用叠片形式，正极12层，负极13层。正极极片宽为43mm，高为56mm，负极宽45mm，高58mm。

结果讨论

研究者设计了两组对比例，传统的设计理念（可逆N/P=1）和提出的不可逆N/P=1。实验结果显示，在中高硅含量（首效低于正极）的情况下，新方法更有利于能量密度的发挥。

通过优化N/P比设计，研究者发现可以在降低阳极面积密度的同时保持等效的正极面密度。这使得负极电极的厚度减小，促进了更快的锂离子脱嵌，提升了电池的倍率性能。

截止电压调控对能量密度的影响

研究者进一步探讨了截止电压调控对能量密度和循环性能的影响。当截止电压从2.75 V下降到2V时，初始放电容量从2.089 Ah提高到2.398Ah，但容量保留量从84.6 %下降到73.22 %。

这项研究为推进高性能锂离子电池技术奠定了一个具有成本效益的全新工作基础，为高能量密度锂离子电池的开发和应用提供了关键的技术和理论支持。

参考文献：
DOI:10.1016/j.cej.2024.155759