【超干货】锂电池C.B值设计手册

新能源时代 · 公众号 · · 2024-12-05 08:30

正文

（1）C.B.值的常规定义

正对面阳极容量与阴极容量的比值。

（2）C.B.值的实际本

全电池充电时，阳极提供的锂空位能否接收阴极提供的活性锂离子，保障活性锂不在阳极沉积析出。

（3）C.B.值的设计要求

设计的C.B.值应要保证电芯开放的工作窗口、全生命周期内不析锂。

（4）影响C.B.值因素

但究其根本，只有两个因素：克容量及涂布重量(C.W.)的变化。

下图中展示了影响C.B.设计值变化的几个细分因素，其实质就是在不同情况下，阴极活性锂总量与阳极空位总量发生相对变化。通常来说：

1、全电首效波动直接反应阴极克容量的发挥水平，因而实际的C.B.值随之变化。

2、若阴极衰减快，随循环进行，C.B.值逐渐变大；反之，阳极衰减快，C.B.值逐渐变小；因此需要合理设计，保证EOL C.B. > 1，电芯不析锂。

3、倍率效应、温度效应；在提升工作温度或充放电倍率时，阴、阳极的脱/嵌锂动力学性能存在差异，锂离子受到的阻力是不同的；例如若阴极25°C 0.33C 160mAh/g，25°C 1C 150mAh/g；25°C 160 mAh/g，45°C 170 mAh/g；若阳极0.33C 350mAh/g，1C 330mAh/g等，若忽视倍率或温度引起阴、阳极的克容量变化，而导致C.B.值设计不合理，在低温大倍率下，极易发生析锂。

4、此外，小编建议在做设计之前，必须掌握制程能力；因为涂布存在公差波动，当阴极涂布重量偏上限，而阳极涂布偏下限的情况下，实际C.B.值是偏小的；并且冷压后，阴极延展率较高(>1%)、阳极延展率相对较小(<1%)以及涂布削薄等，这些因素均表明阴、阳极的涂布重量发生变化，偏离设计值；需综合考虑，保障电芯C.B.值不失效。

5、电芯结构不同，正对面的阴、阳极涂布质量发生变化。如下图，相对叠片结构，卷绕结构内圈的阳极比外圈的阴极正对面长度略小，即正对面阳极涂布重量低于设计值，需要补偿曲率损失。这也衍生了圆柱电芯中独特的AB面设计，即涂布重量一面轻一面重，修正C.B.值设计。

通常说的C.B.值是采用阴、阳极的可逆克容量计算，这里称为放电C.B.值，一般设计采用1.05-1.20；根据小编的经验大致分为，3C类1.05-1.1；动力类1.1-1.15能量型，1.15-1.2功率型。上述C.B.设计通常是石墨体系，业内具备丰富的设计经验。而近年来无论是动力类还是3C类电芯，均对能量密度提出了高要求，特斯拉的硅碳电池早已面世装车，最近小米MIXAlpha手机又高调宣发长续航4050mAh高容量纳米硅基电池，硅基电池技术的成熟度越来越高。那硅基体系的C.B.值设计要求还与石墨体系相同吗？小编想在这里分享对比下。

在分享之前，上图描述了1st/2nd充放电过程中，1st Cycle/2ndC.B.值的计算(充电/放电C.B.值)，并推理了其与全电首效与扣电首效之间的关系，目的也是为了用一个直观的等式表明充电C.B.和放电C.B.之间的理论关系。

那么在此，做一个简单的计算对比，假定石墨体系设计放电C.B.值=1.15，石墨扣电首效93%，全电首效一般是84-88%左右，即，1.15=93%/(84%或88%*充电C.B.)，得充电C.B.=1.039或1.088，考虑制程偏差，充电C.B.会更小，综合来说首次充电析锂的风险相对较小。但如果是硅基体系呢？考虑到硅基体系的高膨胀特性，业内大多选择的是低首效(全电)的氧化硅体系。各位读者可以自己计算下，即使是设计放电C.B.=1.15，也不能完全保证，低首效(全电)氧化硅体系首次充电不析锂。小编在此建议，基于硅基体系，应该优先考虑充电C.B.，而石墨体系在做极限设计时，也应该考虑充电C.B.值，这样才能保证首次充电不析锂。

最后分享一个C.B.值设计的经验公式，希望给初入行业的后继者们一些启发。本文仅仅是考虑C.B.值设计不失效，而关于C.B.值的大小细化设计验证，需根据不同种类的电芯(例如3C、启停、HEV、PHEV、EV等)，工作窗口不同，工况不同，需要进行DOE验证设计C.B.值，保障电芯在最恶劣的工况下，不析锂。