N/P设计对高镍NCM/Gr电芯性能的影响

近年来，随着国家对环境污染防治和能源资源安全的重视，锂离子电池在电动工具、电动汽车、储能等领域得到了广泛应用

。高镍含量的NCM材料因具有高比能量、高电压平台、低阻抗、低钴含量等优点而得到广泛研究

。然而，在商业应用过程中NCM811体系电池可能会出现容量衰减、内阻增大、胀气、热失控等失活现象，而引起失活的原因除了正负极材料结构破坏、电解液分解、SEI膜增厚、集流体腐蚀等因素外，电池的设计参数(电解液净液量、活性物质涂覆量、N/P 等)也对电芯的性能有很大的影响

。合理N/P 的设计非常重要，不仅影响电池的成本、能量密度，对电池的使用寿命和安全性也有影响。本文主要以NCM811/石墨负极体系为研究对象，深入研究N/P比对电芯初始容量发挥、首次放电效率、电芯内阻、倍率放电、高低温放电、高温存储、循环性能的影响，以期得到最佳的N/P设计区间。

1 实验材料和方法

1.1 实验电池样品制作

实验使用的软包动力锂离子电池样品由天津力神电池股份有限公司提供，正极材料为三元NCM811，负极材料为人造石墨，电芯采用叠片式结构，设计容量4.9 Ah。电芯制作过程：将导电剂Super-P(比利时产，电池级)、CNT(江苏产，电池级)加入到PVDF(法国产，电池级)胶液，

-甲基吡咯烷酮(NMP，天津产，电池级)为PVDF 胶液溶剂，经高速分散，制备导电胶液。将定量的NCM811(江苏产，电池级)正极材料分步加入到导电胶液中，经高速搅拌，调黏度、固含量后，制得混 合 正 极 浆 料，

(NCM811)∶

(SP)∶

(CNT)∶

(PVDF)∶

(NMP)=96.0∶1∶0.5∶2.5∶125。将浆料双面涂覆在铝箔(广东产，电池级)上，涂敷量为30.0 mg/cm

，经过烘干、碾压(压实密度为3.4 g/cm

)、分切、冲片、除尘等工序制得正极片。将导电剂Super-P等加入到CMC(江苏产，电池级)水性胶液中进行高速分散，制备导电胶液。将定量的人造石墨Gr(上海产，电池级)高速分散到CMC胶液中，最后加入黏结剂丁苯橡胶SBR(江苏产，电池级)乳液，调黏度、固含量后，制得混合负极浆 料，

(Gr)∶

(SP)∶

(CMC)∶

(SBR)∶

(水)=95∶1.0∶1.5∶2.5∶250。将浆料双面涂覆在铜箔(安徽产，电池级)上，涂敷量分别为19.93、19.07和18.20 mg/cm

，经过烘干、碾压(压实密度为1.6 g/cm

)、分切、冲片、除尘等工序制得三种负极片。正极片分别与三种负极片、隔膜经叠片、焊接、封装、注液、化成等工序完成N/P比分别为1.15、1.10、1.05的三种软包电芯制作。

选取上述三种N/P 比电芯，以锂片为参比电极，锂片包裹至镍极耳上，同时锂片表面使用隔膜做好绝缘，将参比电极放置极组表面，在电芯侧方引出第三电极，制得三电极电池。

1.2 实验电池样品制作

软包电芯的充放电循环以及三电极测试是采用Arbin(型号LBT2108，美国产)电池测试仪进行测试，电压范围2.5～4.2 V；倍率放电、高低温放电、高温存储性能测试，在60 ℃恒温箱(型号SEG-041，上海产)中进行测试，然后用电化学阻抗谱(EIS，型号Reference3000，美国产)分析存储前后电芯阻抗的变化，测试频率区间3×10

～3×10

Hz，振幅5 mV；取循环失效的电芯放电到2.5 V，在手套箱内将其解剖，取出负极，用ICP(型号5110 ICP-OES，美国产)测过渡金属溶出；负极片表面形貌使用扫描电子显微镜(SEM，型号JSM-6360LV，日本产)进行观察。

重庆国民政府军事委员会蒋委员长电令第六战区，在适当的时候，组织有效的反攻，相机收复宜昌等军事重镇。第六战区长官部把收复宜昌的任务，立即下达给驻守石牌的江防军第十军第十一师。

2 实验结果与讨论

2.1 N/P比对电芯基础数据的影响(初始容量、首次放电效率、初始内阻)

图3 展示的是三种电芯在常温进行3 C 充/1 C放循环测试结果，从图中可以看出，N/P(1.10)的电芯循环寿命表现最好，N/P(1.05)的电芯循环最差，循环至400 次时，已出现循环加速衰减趋势。这样的结果与电极电位、电芯内部发生的副反应以及电极材料结构的稳定息息相关。随着电芯内阻的增加，大倍率电流充电时，由于极化，N/P比低的负极嵌锂电位更接近Li

还原电位，导致金属锂的析出，造成活性Li

减少。图4(c)展示的是N/P(1.05)的负极片表面SEM 电镜图，从表面形貌观察，当循环至200次时，N/P(1.05)的负极片表面可能已出现单质锂丝

，而这种析锂趋势将随着循环进行而加剧，并且金属锂的析出将加速电解液分解，进一步造成电池容量衰减，对循环后的电芯解剖分析，从图5(c)可以看出，N/P(1.05)的负极片表面已出现严重析锂，因此，N/P过低导致的析锂是电芯循环衰减加快的主要原因之一。进一步对正极材料结构稳定进行分析，过渡金属溶出情况列于表2，随着N/P比的减小，Ni、Co、Mn从正极溶出均在减小，可能的原因是N/P 比过高时，电芯在充放电过程中，正极处于深度脱锂嵌锂，易造成大量的过渡金属溶出，正极材料结构坍塌，Li

无法回嵌，这也是导致电芯循环寿命衰减快的主要原因之一，正如图2 所展示，N/P(1.10)循环寿命趋势要优于N/P(1.15)电芯。

满电电芯在60 ℃恒温箱中存储28天后，测试存储后的电池电压、内阻、厚度，以及残余容量、恢复容量，记录结果如图6、7所展示。从曲线图4可以看出，N/P(1.05)的电池，满电60 ℃存储28天后厚度鼓胀率最小，仅为2.74%，随着N/P比的增大，电池的厚度鼓胀逐渐增大，N/P 比为1.15 时，电池的鼓胀率达到最大3.80%，类似，电池的内阻增长率也存在相同的规律，N/P(1.05)的电池高温存储后内阻增长率，为11.76%。而如图7所示，电芯存储后，随N/P比提高，残余容量、恢复容量有逐渐降低的趋势。对上述测试结果可能的解释是，在满电状态时，低的N/P电芯，正极电位较低，在高温存储时，可以减少电解液在高电压正极上的氧化反应，减少产气，减少界面阻抗增加，从而提高了电芯存储后的残余和恢复容量。进一步用电化学交流阻抗谱(EIS)对存储前后电芯的阻抗进行对比分析。图8测试结果表明，存储后，电芯的

、

都存在较大幅度增加，而N/P(1.15)的增长尤为明显，说明高的N/P比设计不利于电芯的高温存储性能。

沁水县地貌类型以中低山、丘陵为主，其地形坡度大，沟谷切割强烈，境内山峦叠嶂，地形起伏较大，极易发生滑坡、泥石流等地质灾害。沁水县煤铁资源丰富，长期的资源开发对地质环境造成了极大破坏，一些地区引发了地面塌陷，破坏了生态环境和居民的生活环境，带来了较大的经济损失［9］。农村缺乏污水处理设施，污水随意排放，水污染严重。山区的生活垃圾填到自然沟壑、坑塘或废弃河沟内，无任何污染防治措施，也没有进行卫生防护；平原地区的农村生活垃圾处置一般倾倒在村庄外围的公路沿线地带。

本文以软包电芯为例，研究了设计参数N/P比对NCM811/Gr电芯的性能的影响，得出以下主要结论：

2.2 N/P比对电芯短期性能的影响(倍率放电、高低温放电)

从三电极测试数据中可以看到，满电状态下，对于石墨负极，N/P比小，负极电位低，在电池充电过程中，Li

的嵌入更容易还原成金属锂，导致电池性能衰减。在充电至相同的电压下，N/P比大的正极侧脱出更多的Li

，正极材料更容易出现锂-镍混排，造成材料结构坍塌，同时，正极侧电位较高，电解液易在正极侧发生氧化等副反应，从而导致电芯的循环寿命和高温存储性能变差。

2.3 N/P比对电芯循环寿命的影响

为了研究正负极容量比对电池性能的影响，通过固定正极涂覆量和改变负极涂覆量，设计了N/P比分别为1.15、1.10、1.05三种电芯，电芯的基础测试数据列于表1。

研究者可以利用语料库数据从体育文本的各方面着手进行比对和分析，发现体育类文本语言独有的规律、翻译特点和翻译方法，从而升华为理论层面，进一步补充、完善体育类文本的翻译理论，同时，对体育类翻译实践产生良性互促作用。例如，通过运用译自汉语的英语体育文本子语料库与英语原语体育文本子语料库，研究人员可以充分利用各类研究软件，从词语、句子、篇章等方面出发，考察两种语料在词频、句子结构、语篇结构、修辞方法等方面的异同，从中归纳出译者与本族语者相比在语言使用上的差异，为以后的体育类翻译实践提供更优的思路和方法。

2.4 N/P比对电芯高温存储性能的影响

对心脏彩超求得的TGI指数为:≥51岁TGI=288,男性TGI=138,已婚TGI=108。可知年龄最大的一组对心脏彩超的偏好性最强,且远超其它年龄段,男性比女性对心脏彩超的偏好性强。

2.5 不同N/P比电芯三电极测试

对不同N/P比电池进行三电极测试，测试流程：0.33 C充电至4.2 V，恒压4.2 V充电至0.05 C，休眠15 min，0.33 C 放电至2.5 V，循环3 次，记录正负极电位变化。如图9所示，以N/P(1.15)和N/P(1.05)数据为例，从正极电位上看，满电时，N/P(1.15)的正极电位4.30 V，比N/P(1.05)的高约30 mV，空电时，N/P(1.15)的正极电位约2.68 V，同样比N/P(1.05)高约40 mV，电芯在循环过程中，正极处于高电位状态；从负极电位测试结果上看，空电状态时，N/P(1.15)负极电位约0.21 V，比N/P(1.05)高30 mV，满电状态时，N/P(1.15)负极电位约0.116 V，同样，比N/P(1.05)高约30 mV。

为确定N/P对电芯短期性能的影响，分别研究了N/P 对电芯倍率放电和高低温放电性能的影响，测试结果如图2(a)和图2(b)。图2(a)中，各N/P 电芯在25 ℃下以0.33 C恒流充电至4.2 V，恒压充电至0.05 C，然后分别以0.2 C、0.33 C、0.5 C、1.0 C、2.0 C、3.0 C 电流下放电至2.5 V，数据结果展示，在相同倍率下，不同N/P电芯容量保持率相差不大，因此，N/P对电芯的倍率放电性能无明显影响。图2(b)中，电芯在25 ℃下以0.33 C 恒流充电至4.2 V，恒压充电至0.05 C，再分别在55 ℃、35 ℃、25 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃下以0.33 C放电至2.5 V，对测试结果分析表明，在-10 ℃以上，各N/P 在相同温度下，放电容量无明显差异，但在-20 ℃、-30 ℃，N/P 比1.05 的电芯容量保持率最低，可能的原因是高N/P 电芯内阻大，在环境温度过低时，因动力学因素导致阻抗进一步放大，电芯放电温升高，而电池的欧姆内阻、极化内阻随电芯温度的升高而降低，进而使电芯在低温下放电容量增高

。

3 结 论

从表中可知，随着N/P比减小，电芯的初始容量、首效、初始容量，在数值上均呈现变小趋势。可能的原因是负极在相同嵌锂量时，高负载量的负极电位将更高，当电芯充电至相同截止电压时，正极脱锂电位将升至更高，脱锂量更多，负极嵌锂量也相应增加，反过来，放电时，正极回嵌锂量增多，放电容量增加，这种正负极电位的变化在后期三电极测试中得到验证；再者，在充电过程中，当N/P比过低时，除了部分Li

参与形成SEI膜外，可能存在少量Li

因极化达到析锂电位而在负极表面被还原，无法回嵌到正极活性物质中，使电池放电容量降低，库仑效率降低，如图1充放电曲线，也佐证了这一点。初始内阻的差异，可能的解释是低涂敷量负极有利于极片的浸润、电子的传导和Li

的扩散。

板安窑村为了帮助贫困户，提供了打扫卫生的公益岗位，一个月500块钱，但是很多人看不到眼里，觉得钱少。知道消息的郭书凤马上找到了村干部，并爽快地接住了这个工作。

（1）较小N/P比，电芯的初始容量和首效相应较小，但电芯的初始内阻有所降低；

（2）N/P 比对电芯不同倍率放电无明显影响，但低温下不利于低N/P的电芯容量发挥；

（3）因正极电位和负极金属锂形成的影响，过高、过低的N/P比均不利于电芯循环寿命的发挥；

（4）低的N/P比，有利于减少电芯在高温存储时电极副反应，提高电芯的容量保持和恢复能力；

（5）综合考察各项电性能，本研究最优N/P比设计为1.10。

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