היחס השלילי/חיובי של סוללות ליתיום-יון הוא פרמטר תכנון מרכזי, המתייחס ליחס הקיבולת של חומר האלקטרודה השלילי ביחס לחומר האלקטרודה החיובי בתכנון קיבולת הסוללה.
1 הגדרה ושיטת חישוב
יחס ה-N/P מוגדר בדרך כלל כיחס בין קיבולת האלקטרודה השלילית לקיבולת האלקטרודה החיובית, המשמש כדי להבטיח שלחומר האלקטרודה השלילי יש יכולת מספקת לקבל את יוני הליתיום המשתחררים על ידי חומר האלקטרודה החיובית במהלך הטעינה. נוסחת החישוב היא:
N/P= חומר פעיל אלקטרודה שלילית קיבולת גרם x צפיפות משטח אלקטרודה שלילית x יחס תכולת חומר פעיל אלקטרודה שלילית ÷ (קיבולת חומר פעיל אלקטרודה חיובית גרם x צפיפות משטח אלקטרודה חיובית x יחס תכולת חומר פעיל אלקטרודה חיובית)
2 גורמים משפיעים
השפעה ראשונה:מתייחס ליעילות הקולומבית הראשונה, המשפיעה על הקיבולת בפועל של האלקטרודות החיוביות והשליליות. נתוני קיבולת הגרם המתקבלים מספקי חומרים מתייחסים לרוב רק לקיבולת חצי הגרם החשמלי של החומר הפעיל, בעוד שקיבולת הגרם המלאה של התא מושפעת גם מגורמים כמו חומרים מוליכים, דבקים, קולטי זרם, מפרידים, אלקטרוליטים וכו'. , יש הבדל בין קיבולת הגרם המלא של התא בפועל לבין קיבולת הגרם העיצובית.
תהליך הרכבה:ישנם הבדלים בעיצוב יחס ה-N/P בין סוללות גליליות ומרובעות, בעיקר בשל אטימות המגע בין לוחות האלקטרודה החיובית והשלילית.
תהליך המרה כימי:תהליך ההמרה הכימי משפיע גם על יחס ה-N/P, שכן הוא משפיע על ההשפעה הראשונה ובכך משפיע על ביצועי קיבולת הגרם.
ביצועי מחזור:חיי מחזור הם אחד האינדיקטורים החשובים למדידת ביצועי הסוללה. אם האלקטרודה החיובית מתפוררת במהירות, יש לתכנן את יחס ה-N/P כך שיהיה נמוך יותר, ולאפשר לאלקטרודה החיובית להיות במצב פריקת מטען רדוד; להיפך, אם האלקטרודה השלילית מתפוררת במהירות, יש לתכנן את יחס ה-N/P גבוה יותר כדי לשמור על האלקטרודה השלילית במצב פריקת מטען רדוד.
בִּטָחוֹן:אבטחה היא אינדיקטור חשוב יותר מביצועי לולאה. התכנון של יחס ה-N/P לא צריך להתחשב רק בביצועי הבטיחות של המוצר המוגמר, אלא גם להימנע מהתרחשות של שקיעת ליתיום ויצירת חום בתאי הסוללה במהלך טעינה מוקדמת.
3 ההשפעה על ביצועי הסוללה
יחס N/P גבוה מדי:
פריקת אלקטרודה שלילית מוגזמת עלולה לגרום לטעינה ופריקה רדודה של האלקטרודה השלילית ולטעינה ופריקה עמוקה של האלקטרודה החיובית.
האלקטרודה השלילית הטעונה במלואה נוטה פחות לשקיעה של ליתיום (חלק מהחומרים כגון פחמן רך וקשיח וחומרי LTO אינם עוברים שקיעת ליתיום), מה שהופך אותה לבטוחה יותר.
אבל העלייה במצב החמצון של האלקטרודה החיובית למעשה מגבירה את סכנות הבטיחות.
בשל ההשפעה הראשונית ללא שינוי של האלקטרודה השלילית, יש צורך להגיב לחלק גדול יותר, ובמקביל, בשל השפעת הקינטיקה, קיבולת האלקטרודה החיובית תהיה נמוכה יותר.
העלייה במצב החמצון של חומר האלקטרודה החיובית עלולה להוביל לניתוק אבקת האלקטרודה החיובית מנייר הכסף, הצהבה של המפריד, התנגדות פנימית מוגברת וכשל מחזורי בתנאי טמפרטורה גבוהים.
יחס N/P נמוך מדי:
קיבולת בלתי מספקת של אלקטרודה שלילית עלולה לגרום לעודף יוני ליתיום המשתחררים מהאלקטרודה החיובית במהלך הטעינה לזרז על פני האלקטרודה השלילית וליצור דנדריטים של ליתיום, שעלולים לגרום בקלות לקצרים פנימיים בסוללה ולהשפיע על ביצועי הבטיחות שלה.
עודף ה-Li המשוחרר מספק מקור Li לשקיעת מלחי ליתיום על משטח האלקטרודה השלילי, ותצהיר מתמשך של מלחי ליתיום מוביל לכשל ברכיבה.
4 שיקולים ביישומים מעשיים
סוללות גרפיט שליליות אלקטרודות:יחס ה-N/P הוא בדרך כלל גדול מ-1.0, נשלט בדרך כלל בין 1.04-1.20, בעיקר לתכנון בטיחותי למניעת שקיעת ליתיום מהאלקטרודה השלילית. בעת התכנון, יש לקחת בחשבון את יכולת התהליך, כגון סטיית ציפוי.
סוללת אלקטרודה שלילית ליתיום טיטנאט:אימוץ עיצוב עודף אלקטרודה חיובית, קיבולת הסוללה נקבעת על ידי הקיבולת של האלקטרודה השלילית של ליתיום טיטנאט. העיצוב המופרז של האלקטרודה החיובית מועיל לשיפור ביצועי הסוללה בטמפרטורה גבוהה, מכיוון שהגז בטמפרטורה גבוהה מגיע בעיקר מהאלקטרודה השלילית. כאשר האלקטרודה החיובית מתוכננת בצורה מוגזמת, פוטנציאל האלקטרודה השלילי נמוך יותר, מה שמקל על יצירת סרט SEI על פני השטח של ליתיום טיטנאט.
5 שונות דינמית
יחס ה-N/P הוא פרמטר המשתנה באופן דינמי. במהלך מחזור הטעינה/פריקה של הסוללה, שינויים בקיבולת הספציפית ההפיכה של האלקטרודות החיוביות והשליליות ו/או עומס המסה השלילי של החומר הפעיל של האלקטרודה עלולים להוביל לשינויים מתמשכים ביחס ה-N/P. בנוסף, גורמים כמו הקיבולת הבלתי הפיכה הראשונית של הסוללה כולה, מתח ניתוק הטעינה, צפיפות הזרם, טמפרטורת הסביבה והזדקנות הסוללה יכולים גם הם להשפיע על שינויים ביחס ה-N/P.
יחס ה-N/P של סוללות ליתיום-יון הוא פרמטר חשוב ומורכב בתכנון הסוללה. לפני תכנון יחס ה-N/P של הסוללה כולה, יש צורך להבין היטב את המאפיינים של חומרי הקתודה והאנודה, כמו גם גורמים שונים המשפיעים על יחס ה-N/P, כדי להבטיח את הביצועים והבטיחות של הסוללה.