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电芯正负极的容量匹配设计！

网上已有较多的N/P的文章，内容非常不错，也非常有深度。

但是，从业新手普遍对文章中提到的传统石墨负极锂离子电池的

N/P设计的实例运用和钛酸锂负极锂电池的N/P比两个问题感到

迷茫。本文着重讲述这两个问题，当然由于水平所限，讲述不足

的地方，请大牛多多指教。

正文：在设计锂电池时，正确计算正负极容量合理的配比系

数非常重要。对于传统石墨负极锂离子电池，电池充放电循环失效短

板主要在于负极侧发生析锂、死区等，因此通常采用负极过量的

方案。在这种情况下，电池的容量是由正极容量限制，负极容量

/正极容量比大于1.0（即N/P比1.0）。如果正极过量，在充电

时，正极中出来的多余的锂离子无法进入负极，会在负极表面形

成锂的沉积以致生成枝晶，使电池循环性能变差，也会造成电池

内部短路，引发电池安全问题。因此一般石墨负极锂电池中负极

都会略多于正极，但也不能过量太多，过量太多会消耗正极中的

锂；另外也会造成负极浪费，降低电池能量密度，提高电池成本。

对于钛酸锂负极电池，由于LTO负极结构较稳定，具有高的电压平

台，循环性能优异且不会发生析锂现象，循环失效原因主要发在

正极端，电池体系设计可取的方案是采用正极过量，负极限容（N/P

比1.0），这样可以缓解当电池接近或处于完全充电状态时在高

电位区域正极电位较高导致电解质分解。

图1、石墨负极不足和负极过量时电池性能趋势图

传统石墨负极锂离子电池N/P比的计算实例

N/P比（Negative/Positive）是指负极容量和正极容量的比值,其实也有另外一

种说法叫CB（cellBalance）。

一般情况下，电池中的正负极配比主要由以下因素决定：

①正负极材料的首次效率：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。

②设备的涂布精度：现在理想的涂布精度可以做到100%，如果涂布精度差，

要加以考虑。

③正负极循环的衰减速率：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

④电池所要达到的倍率性能。

N/P的计算公式：N/P=负极面密度×活性物质比率×活性物质放电比容量/

正极面密度×活性物质比率×活性物质放电比容量

举例来说：LiCoO在4.2～3.0V电压范围，25℃下，首轮充放电效率为95％

2

左右，三元材料首放充放电效率在86％～90％之间。表1为商业NCM111的

1C放电前三个充放电循环的质量比容量。

表1商业NCM111电池前三个充放电循环比容量

在使用材料配比前，可以根据材料厂家提供的首轮效率数据进行计算。如果厂

家没有提供，最好先用扣式半电池测试材料的首轮效率，以便做正负极配比计

算。

石墨负极的锂电池正负极配比可以按照经验公式N/P=1.08来计算，N、P分别

为负极和正极活性物质的质量比容量，计算公式如式（1）和式（2）所示。负

极过量有利于防止电池过充时带来的锂在负极表面的沉积，有利于提高电池的

循环寿命和安全性。

N=负极面密度×活性物质比率×活性物质放电比容量（1）

P=正极面密度×活性物质比率×活性物质放电比容量（2）

假设正极面密度为200mg·cm–2，活性物质比率为90％，放电比容量为

145mA·h·g–1，那么P=200mg·cm–2×0.9×145mA·h·g–1=26.1mA·h·cm–

2。假设负极活性物质比率为95％，放电比容量为320mA·h·g–1，那么负极的

面密度设计为93mg·cm–2较为合适，此时N=93mg·cm–2×0.95×320mA