Perché c'è una lamina di elettrodo negativo in più rispetto alla lamina di elettrodo positivo nella progettazione delle batterie al litio?
April 22, 2025
Durante il processo di produzione delle batterie al litio,un dettaglio di progettazione cruciale è che il numero di fogli di elettrodi negativi (anodi) è sempre uno in più di quello dei fogli di elettrodi positivi (cathodi)Questa apparentemente semplice differenza numerica incarna in realtà profondi principi elettrochimici e considerazioni ingegneristiche.
Motivo fondamentale: Completezza delle reazioni elettrochimiche
L'essenza del funzionamento della batteria al litio è il trasporto di ioni di litio tra gli elettrodi positivi e negativi:
Durante la ricarica: gli ioni di litio vengono estratti dall'elettrodo positivo, passano attraverso l'elettrolita e vengono intercalati nell'elettrodo negativo.
Durante la scarica: gli ioni di litio vengono estratti dall'elettrodo negativo e ritornano all'elettrodo positivo.
Per ottenere un utilizzo del 100% dei principi attivi è necessario garantire che:
1Ogni lato di ogni lamina di elettrodo positivo corrisponde al materiale dell'elettrodo negativo.
2Le regioni di bordo dell'elettrodo positivo sono completamente coperte dall'elettrodo negativo.
Se il numero di fogli di elettrodi fosse lo stesso, il foglio di elettrodo positivo più esterno avrebbe un lato direttamente esposto all'elettrolita, con il risultato di:
Il materiale attivo di quel lato non può partecipare alla reazione.
Densità di corrente locale anormale.
Possibili reazioni collaterali come la decomposizione degli elettroliti.
Tre importanti considerazioni ingegneristiche
1. Ottimizzazione della distribuzione attuale
La progettazione di una lamina di elettrodo negativo in più rende ogni lamina di elettrodo positivo in uno stato "sandwich":
Fogli di elettrodi positivi: circondati da elettrodi negativi su entrambi i lati.
Carta di elettrodo negativo: solo un lato ha un elettrodo positivo (l'elettrodo negativo più esterno).
Questa disposizione garantisce:
Sentieri di corrente simmetrici.
Conduzione elettronica uniforme.
Minimizzazione dei fenomeni di polarizzazione.
2Meccanismo di protezione della sicurezza
Il ruolo chiave dell'elettrodo negativo extra è:
Incapsulare completamente il materiale attivo dell'elettrodo positivo.
Prevenire la crescita della dendrite di litio causata dagli effetti dei bordi.
Fornire spazio tampone per l'espansione (gli elettrodi negativi a base di silicio possono espandersi fino al 300%).
I dati sperimentali dimostrano che le batterie con un disegno di lamina di elettrodi N+1 possono avere una durata di ciclo aumentata del 15-20%.
3. Adattamento del processo produttivo
Per le batterie a ferita, l'elettrodo negativo forma naturalmente una struttura "un altro" come strato esterno.
18650 batteria cilindrica: 4 strati di elettrodo positivo → 5 strati di elettrodo negativo.
Batterie accumulate: raggiungere l'accoppiamento N+1 attraverso un conteggio preciso.
Processo di impilazione: mediante l'impilazione in modo "pagina di libro", si assicura che la sequenza sia elettrodo positivo ️ elettrodo negativo ️ elettrodo positivo ️ elettrodo negativo...che termina sempre con un elettrodo negativo.
Analisi del caso speciale
1. differenze tra batterie a stato solido e batterie a stato solido
Alcune batterie elettrolitiche allo stato solido possono utilizzare un numero uguale di lamiere di elettrodi perché:
Gli elettroliti allo stato solido hanno una elevata resistenza meccanica, che può sopprimere i dendriti.
Il percorso di conduzione degli ioni è diverso da quello delle batterie liquide.
Tuttavia, i prodotti industrializzati conservano ancora per lo più il disegno N+1.
2Batterie per prove di laboratorio
Le batterie simmetriche utilizzate per la ricerca (come le batterie Li-Li) infrangono questa regola, ma:
Non possono essere applicate in pratica.
Sono utilizzati solo per la ricerca fondamentale.
Riassunto:
b. "tecnologia" per l'elaborazione, la produzione e la distribuzione di dati, comprese le informazioni relative ai sistemi di gestione dei dati e le informazioni relative ai sistemi di gestione dei dati.
✓ Necessità di reazioni elettrochimiche
✓ Una manifestazione dell'ottimizzazione ingegneristica
✓ Una salvaguardia cruciale per la sicurezza