面包芯语

全电池设计关键参数：N/P比，该如何设定？

锂电联盟会长 2024-11-17 09:17
汽车用卸负载电阻低价方案 【直播】云仿真加速：中小IC验证效率翻倍秘诀

点击左上角“锂电联盟会长”，即可关注！

电芯设计表是做电芯产品开发材料开发工程师的必备工具之一。设计表格式往往每个公司都不同，甚至一个公司内都有许多种设计表，但是其核心都是一样的。即使没有前人的口传心授，一些仅仅是拿到设计表的同学仍可以靠自己的思考把公式都琢磨得很透彻。本人理解的设计表是三大方程组成：容量方程，体积方程，N/P比方程。其中容量和体积是由顾客定义或者是由过程定义。N/P比方程解释如下：





N/P比的定义

N/P比（Negative/Positive）是在同一阶段内，同一条件下，正对面的负极容量超正极容量的余量,其实也有另外一种说法叫CB（cell Balance）。

N/P计算公式：
N/P=负极活性物质克容量×负极面密度×负极活性物含量比÷（正极活性物质克容量×正极面密度×正极活性物含量比）。
同一阶段：锂电池充放电有两个阶段，对应不同的克容量，一个是首次充电阶段，一个是放电阶段，分别对应（首次）充电N/P比和放电N/P比。
我们知道锂电材料存在首效，就是首次（库伦）效率，即第一次充放电容量比值。在首充的过程中，材料表面形成SEI膜，材料的缺陷位置被反应掉，材料中的杂质也被反应掉等等，造成首次充电容量>首次放电容量>老化后放电容量。虽然经过老化以及以后的充放电循环，放电容量仍有衰减，但是大量反应已经在前期完成。两个阶段的克容量存在差异，一个是首充克容量，一个是乘以首效后的克容量，混用的话会造成设计的失效。
同一条件：同一条件也是与克容量计算相关。这个条件指的是同一测试条件，如温度，倍率，电压范围等。如果正负极克容量测试的条件不同，用到同一个公式内，同样会导致设计失效。
正对面：我们要用面密度计算，就是正对的含义。但是如果极片形状存在弯曲的变形呢？也就是外圈收缩，内圈舒展的情况，我们要用曲率去修正面密度的数值，这也就是为什么圆柱形状电池在涂布过程中存在阴阳面的情况。



设计N/P比时应考虑因素

设计因素
第一、首效：是要考虑所有存在反应的物质，包括导电剂，粘接剂，集流体，隔膜，电解液。但是我们在材料供应商处得到的克容量数据往往只考察活性物质的半电克容量，这就是为什么实际的全电池克容量与设计克容量存在差异。
第二、装配工艺：圆柱电池与方形电池N/P比设计就存在差异，主要是由正负极片接触的松紧程度造成的。我们将粉体与集流体的组合同样认为是装配，粉体与集流体直接的接触情况，粉体之间的接触情况，也是影响克容量，从而影响N/P比的因素之一。
第三、化成工艺：化成工艺不同，对于N/P比同样存在影响。化成工艺也是通过影响首效，进而影响克容量发挥。因此我们在进行N/P比设计的时候，化成工艺也应讨论进去。具体化成工艺会有哪些影响，将在后续的文章中陆续说明。
性能因素
第四、循环：循环寿命是衡量电池性能最重要的指标之一。如果正极衰减快，那么N/P比设计低些，让正极处于浅充放状态，反之如果负极衰减快，那么N/P比高些，让负极处于浅充放状态。本文的（下）对该内容将进行详细的讨论。
第五、安全：安全是比循环更重要的指标。不仅仅是对成品的安全性能存在影响，有些预充中就存在析锂发热的电芯，我们就要检讨一下是否存在设计问题。



N/P比对锂电池有哪些影响

通常我们认为，N/P比过大，就是负极过量偏大，会造成负极的浅充放，正极的深度充放（反之亦然，当然这只是一个非常笼统的说法）。满电态负极不容易析锂（部分材料，如软硬碳，LTO材料也不会析锂），更加安全，但是正极氧化态升高反而增加了安全隐患。由于负极首效不变，需要反应掉的部分也就越多，同时由于动力学的影响，正极克容量发挥会偏低，但是当N/P不足到一定程度时，正极不能被完全利用，也会影响克容量的发挥。综上，找到一个合适的N/P比是非常重要的。
石墨负极类电池N/P要大于1.0，一般1.04~1.20，这主要是出于安全设计，主要为了防止负极析锂，设计时要考虑工序能力，如涂布偏差。但是，N/P过大时，电池不可逆容量损失，导致电池容量偏低，电池能量密度也会降低。
而对于钛酸锂负极，采用正极过量设计，电池容量由钛酸锂负极的容量确定。正极过量设计有利于提升电池的高温性能：高温气体主要来源于负极，在正极过量设计时，负极电位较低，更易于在钛酸锂表面形成SEI膜。
首次进行电池设计时候应该怎么定N/P比呢？计算理论值后进行梯度实验，后续通过低温放电、克容量发挥、循环寿命、安全测试等等进行评估。



N/P比对正极的影响

N/P比过高会造成正极材料氧化态升高，氧化态升高除了引起安全问题，还有那些隐患呢？这里仅以三元/石墨材料为例。
N/P比过量电池，在满电态进行热箱（130°C/150°C）或者高温存储实验，拆解电芯，通常会发现正极粉料与箔材脱离的情况，并且隔膜发黄。
首先明确两个概念：
概念1：这里首先要明确极片不同位置，哪怕颗粒不同位置的反应都是不均匀的，这涉及到一个极片厚度的方向存在电势差的问题。
概念2：Ni3+/4+和Co3+/4+与O存在能带重叠，O会以自由基形态从晶格脱出，有极强的氧化性。
隔膜变黄系氧化所导致，机理已经很明确，已有文献[1]报道了电解液中添加PS等易氧化的保护添加剂，对于隔膜氧化起到缓解作用。
有文献报道[2]负极MCMB材料中，由于负极粉料和集流体的界面电位最负，锂盐沉积首先发生于负极粉料与集流体接触位置，MCMB材料的横截面SEM图中明显观察到了负极材料与集流体接触界面存在锂盐沉积，但是石墨系材料并未观察到。但是研究正极SEI膜的文献较少，由于正极粉料与集流体接触位置处于较高电位并且具有高氧化性，这里假设会形成一层正极的锂盐沉积物（高温下加快了该反应的进行），阻碍了正极粉料和集流体之间的接触，造成了正极粉料与集流体之间的剥离。具体的表征实验没有进行，这也是本文存在争议的地方。
正极剥离增大了内阻，并且直接导致了高温使用条件下循环的失效。



N/P比对负极的影响

脱出的多余的Li会为负极表面锂盐的沉积提供Li源[2]，锂盐不断沉积导致了循环的失效。因此N/P比过低会造成这种风险的提高。
但是我们这里讨论另外一个维度可能会发生的情况，如果N/P比过高会发生什么？这里使用的是同一个正极，通过调节负极用量造成N/P比的不同。在放电末端，N/P比低的正负极电压都低，正极深放，负极浅放。在充电末端，同样是N/P比低的正负极电压都低，负极深充，正极浅充。
需要说明的是：
1、图中的一条电位曲线代表充放电两个过程，可以认为是平衡态的电位。
2、正极的首效造成容量衰减这里忽略。即使经过首效损失，N/P比不同的负极对应的也是同一条正极曲线。这里认为正极首效损失只在充电起始端造成，充电末端由于氧化造成的成膜这里忽略，实际情况也是只有随着循环的进行，氧化成膜才会对容量造成影响。
3、负极首效比例认为与N/P比无关，是一个常数，负极多的，通过首效损失的容量也多。该反应发生阶段同样是在充电的起始端。
4、正极电位和负极电位是自由的，唯一的限制就是全电池的电压，即蓝色竖线双箭头。在放电末端和充电末端的两个双箭头长度分别相等。
5、两条红色虚线即电位差异，分别显示所对应的电极充放电的深浅程度。
由于首效反应掉负极的比例都一样，并且负极总量不同，负极多的和负极少的负极充放电曲线，对应同一个正极充放电曲线产生了相位差。由于正极电位随着嵌锂增多电压逐渐下降（放电过程），在负极脱Li/负极电压上升过程中，负极多和负极少的负极放电曲线末端对应的正极放电曲线的使用位置是不同的，负极少的负极放电末端对应的正极电压更低。为了达到同样全电池电压，负极少的负极电压上升低，也就避免了负极脱Li程度过高。负极脱Li过多，会造成SEI膜的损害并且重整，从而引发循环失效。这种分析方法同样可以应用于充电末端，得到正极过量情况下，正极处于浅充，负极处于深充的结论。
小结：N/P比小的电池，也就是负极过量不足的电池，正极能够在循环中达到浅充深放状态，负极的状况是深充浅放。反之亦然。
来源：锂电前沿
锂电联盟会长向各大团队诚心约稿，课题组最新成果、方向总结、推广等皆可投稿，请联系：邮箱libatteryalliance@163.com或微信Ydnxke。
相关阅读：
锂离子电池制备材料/压力测试！
锂电池自放电测量方法：静态与动态测量法！
软包电池关键工艺问题！
一文搞懂锂离子电池K值！
工艺，研发，机理和专利！软包电池方向重磅汇总资料分享！
揭秘宁德时代CATL超级工厂！
搞懂锂电池阻抗谱(EIS)不容易,这篇综述值得一看！
锂离子电池生产中各种问题汇编！
锂电池循环寿命研究汇总（附60份精品资料免费下载）

登录阅读全文
免责声明： 该内容由专栏作者授权发布或作者转载，目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点，本站亦不保证或承诺内容真实性等。若内容或图片侵犯您的权益，请及时联系本站删除。侵权投诉联系：  nick.zong@aspencore.com！
锂电联盟会长 研发材料，应用科技
评论 （0）
  • 营收狂奔，亏损狂飙！曹操出行IPO是一场豪赌！
    递交招股书近一年后，曹操出行 IPO 进程终于迎来关键节点。从 2024 年 4 月首次递表，到 2025 年 4 月顺利通过中国证监会境外发行上市备案，并迅速更新招股书。而通过上市备案也标志着其赴港IPO进程进入实质性推进阶段，曹操出行最快有望于2025年内完成港股上市，成为李书福商业版图中又一关键落子。行路至此，曹操出行面临的挑战依然不容忽视。当下的网约车赛道，早已不是当年群雄逐鹿的草莽时代，市场渐趋饱和，竞争近乎白热化。曹操出行此时冲刺上市，既是背水一战，也是谋篇布局。其招股书中披露的资金
    用户1742991715177 2025-05-10 21:18 102浏览
  • 电磁数据展示系统软件平台全面解析
    　　电磁数据展示系统平台解析 　　北京华盛恒辉电磁数据展示系统平台是实现电磁数据高效展示、分析与管理的综合性软件体系，以下从核心功能、技术特性、应用场景及发展趋势展开解读： 　　应用案例 　　目前，已有多个电磁数据展示系统在实际应用中取得了显著成效。例如，北京华盛恒辉和北京五木恒润电磁数据展示系统。这些成功案例为电磁数据展示系统的推广和应用提供了有力支持。 　　一、核心功能模块 　　数据采集与预处理 　　智能分析处理 　　集成频谱分析、时频变换等信号处理算法，自动提取时域频域特征;
    华盛恒辉l58ll334744 2025-05-13 10:20 280浏览
  • 通用Agent混战开启：字节勉强及格，MainFunc们赚到第一桶金
    文/Leon编辑/cc孙聪颖‍2025年1月至今，AI领域最出圈的除了DeepSeek，就是号称首个“通用AI Agent”（智能体）的Manus了，其邀请码一度被炒到8万元。很快，通用Agent就成为互联网大厂、AI独角兽们的新方向，迅速地“卷”了起来。国外市场，Open AI、Claude、微软等迅速推出Agent产品或构建平台，国内企业也在4月迅速跟进。4月，字节跳动、阿里巴巴、百度纷纷入局通用Agent市场，主打复杂的多任务、工作流功能，并对个人用户免费。腾讯则迅速更新腾讯元器的API接
    华尔街科技眼 2025-05-12 22:29 108浏览
  • 【意法半导体 STM32 WL55】1、开箱+介绍
    感谢面包板论坛组织的本次测评活动，本次测评的对象是STM32WL Nucleo-64板 (NUCLEO-WL55JC) ，该测试板专为LoRa™应用原型构建，基于STM32WL系列sub-GHz无线微控制器。其性能、功耗及特性组合经过精心挑选，支持通过Arduino® Uno V3连接，并利用ST morpho接头扩展STM32WL Nucleo功能，便于访问多种专用屏蔽。STM32WL Nucleo-64板集成STLINK-V3E调试器与编程器，无需额外探测器。该板配备全面的STM
    无言的朝圣 2025-05-13 09:47 108浏览
  • 厨电AI化狂欢：万得厨wan AiOS 1.0是破局钥匙还是营销噱头？
    在 AI 浪潮席卷下，厨电行业正经历着深刻变革。AWE 2025期间，万得厨对外首次发布了wan AiOS 1.0组织体超智能系统——通过AI技术能够帮助全球家庭实现从健康检测、膳食推荐，到食材即时配送，再到一步烹饪、营养总结的个性化健康膳食管理。这一创新之举并非偶然的个案，而是整个厨电行业大步迈向智能化、数字化转型浪潮的一个关键注脚，折射出全行业对 AI 赋能的热切渴求。前有标兵后有追兵，万得厨面临着高昂的研发成本与技术迭代压力，稍有懈怠便可能被后来者赶
    用户1742991715177 2025-05-11 22:44 175浏览
  • 电磁数据管理系统软件平台设计方案
    　　电磁数据管理系统深度解析 　　北京华盛恒辉电磁数据管理系统作为专业的数据处理平台，旨在提升电磁数据的处理效率、安全性与可靠性。以下从功能架构、核心特性、应用场景及技术实现展开分析： 　　应用案例 　　目前，已有多个电磁数据管理系统在实际应用中取得了显著成效。例如，北京华盛恒辉和北京五木恒润电磁数据管理系统。这些成功案例为电磁数据管理系统的推广和应用提供了有力支持。 　　一、核心功能模块 　　数据采集与接入：实时接收天线、频谱仪等设备数据，兼容多协议接口，确保数据采集的全面性与实时性
    华盛恒辉l58ll334744 2025-05-13 10:59 213浏览
  • 软件定制开发公司有哪些？2025年国内较为知名的
    　　基于 2025 年行业权威性与时效性，以下梳理国内知名软件定制开发企业，涵盖综合型、垂直领域及特色技术服务商： 　　华盛恒辉科技有限公司：是一家专注于高端软件定制开发服务和高端建设的服务机构，致力于为企业提供全面、系统的开发制作方案。在部队政企开发、建设到运营推广领域拥有丰富经验，在教育，工业，医疗，APP，管理，商城，人工智能，部队软件、工业软件、数字化转型、新能源软件、光伏软件、汽车软件，ERP，系统二次开发，CRM等领域有很多成功案例。 　　五木恒润科技有限公司：是一家专业的部队信
    华盛恒辉l58ll334744 2025-05-12 16:13 236浏览
  • 战火中的启示：质量为王的时代已然来临
    在印度与巴基斯坦的军事对峙情境下，歼10C的出色表现如同一颗投入平静湖面的巨石，激起层层涟漪，深刻印证了“质量大于数量”这一铁律。军事领域，技术优势就是决定胜负的关键钥匙。歼10C凭借先进的航电系统、强大的武器挂载能力以及卓越的机动性能，在战场上大放异彩。它能够精准捕捉目标，迅速发动攻击，以一敌多却毫不逊色。与之形成鲜明对比的是，单纯依靠数量堆砌的军事力量，在面对先进技术装备时，往往显得力不从心。这一现象绝非局限于军事范畴，在当今社会的各个领域，“质量大于数量”都已成为不可逆转的趋势。在科技行业
    curton 2025-05-11 19:09 235浏览
  • 定制软件开发公司推荐：做软件找什么公司好呢
    　　定制软件开发公司推荐清单 　　在企业数字化转型加速的2025年，定制软件开发需求愈发多元复杂。不同行业、技术偏好与服务模式的企业，对开发公司的要求大相径庭。以下从技术赛道、服务模式及行业场景出发，为您提供适配的定制软件开发公司推荐及选择建议。 　　华盛恒辉科技有限公司：是一家专注于高端软件定制开发服务和高端建设的服务机构，致力于为企业提供全面、系统的开发制作方案。在部队政企开发、建设到运营推广领域拥有丰富经验，在教育，工业，医疗，APP，管理，商城，人工智能，部队软件、工业软件、数字化转
    华盛恒辉l58ll334744 2025-05-12 15:55 310浏览
  • 【拆解】+CamFi卡菲单反无线传输器拆解
    【拆解】+CamFi卡菲单反无线传输器拆解 对于单反爱好者，想要通过远程控制自拍怎么办呢。一个远程连接，远程控制相机拍摄的工具再合适不过了。今天给大伙介绍的是CamFi卡菲单反无线传输器。 CamFi 是专为数码单反相机打造的无线传输控制器，自带的 WiFi 功能（无需手机流量），不但可通过手机、平板、电脑等设备远程连接操作单反相机进行拍摄，而且还可实时传输相机拍摄的照片到 iPad 和电视等大屏设备进行查看和分享。 CamFi 支持大部分佳能和尼康单反相机，内置可充电锂离子电池，无需相机供电。
    zhusx123 2025-05-11 14:14 352浏览
  • 信创背景下的算力建设风险
            信创产业含义的“信息技术应用创新”一词，最早公开信息见于2019年3月26日，在江苏南京召开的信息技术应用创新研讨会。本次大会主办单位为江苏省工业和信息化厅和中国电子工业标准化技术协会安全可靠工作委员会。        2019年5月16日，美国将华为列入实体清单，在未获得美国商务部许可的情况下，美国企业将无法向华为供应产品。       2019年6
    天涯书生 2025-05-11 10:41 194浏览
  • 2025存储国产化进程加速：存储芯片主要厂商介绍
    在全球供应链紧张和国产替代需求推动下，国产存储芯片产业快速发展，形成设计到封测一体化的完整生态。北京君正、兆易创新、紫光国芯、东芯股份、普冉股份和佰维存储等六大上市公司在NOR/NAND Flash、DRAM、嵌入式存储等领域布局各具特色，推动国产替代提速。贞光科技代理的品牌紫光国芯，专注DRAM技术，覆盖嵌入式存储与模组解决方案，为多领域客户提供高可靠性产品。随着AI、5G等新兴应用兴起，国产存储厂商有望迎来新一轮增长。存储芯片分类与应用易失性与非易失性存储芯片易失性存储芯片（Volatile
    贞光科技 2025-05-12 16:05 161浏览
  • 什么是磁光克尔效应
    ‌磁光克尔效应（Magneto-Optic Kerr Effect, MOKE）‌ 是指当线偏振光入射到磁性材料表面并反射后，其偏振状态（偏振面旋转角度和椭偏率）因材料的磁化强度或方向发生改变的现象。具体表现为：1、‌偏振面旋转‌：反射光的偏振方向相对于入射光发生偏转（克尔旋转角 θK）。2、‌椭偏率变化‌：反射光由线偏振变为椭圆偏振（克尔椭偏率 εK）。这一效应直接关联材料的磁化状态，是表征磁性材料（如铁磁体、反铁磁体）磁学性质的重要非接触式光学探测手段，广泛用于
    锦正茂科技 2025-05-12 11:02 282浏览
我要评论
0
0
点击右上角，分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦