Почему в дизайне литийных батарей больше одного отрицательного электрода, чем положительного?
April 22, 2025
В процессе производства литийных батарейКлючевая деталь конструкции заключается в том, что количество отрицательных электродных листов (анодов) всегда на один больше, чем количество положительных электродных листов (катодов)Это, казалось бы, простое числовое различие на самом деле воплощает глубокие электрохимические принципы и инженерные соображения.
Основная причина: полнота электрохимических реакций
Суть работы литийных батарей заключается в перемещении ионов лития между положительными и отрицательными электродами:
Во время зарядки: ионы лития извлекаются из положительного электрода, проходят через электролит и встраиваются в отрицательный электрод.
Во время разряда: ионы лития извлекаются из отрицательного электрода и возвращаются в положительный электрод.
Для достижения 100% использования активных материалов необходимо обеспечить:
1Каждая сторона каждого положительного листа электрода соответствует отрицательному материалу электрода.
2Крайние области положительного электрода полностью покрыты отрицательным электродом.
Если бы количество электродных листов было одинаковым, то одна сторона внешнего положительного электрода была бы непосредственно подвержена воздействию электролита, в результате чего:
Активный материал с этой стороны не может участвовать в реакции.
Аномальная плотность местного тока.
Возможные побочные реакции, такие как распад электролитов.
Три основных инженерных вопроса
1. Оптимизация текущего распределения
Проектирование с еще одним отрицательным электродным листом делает каждый положительный электродный лист в "сендвичном" состоянии:
Положительный электрод: окружен отрицательными электродами с обеих сторон.
Отрицательный электрод: только одна сторона имеет положительный электрод (наиболее внешний отрицательный электрод).
Эта схема обеспечивает:
Симетричные пути тока.
Однородная электроноватость.
Минимизация поляризации.
2Механизм защиты безопасности
Ключевая роль дополнительного отрицательного электродного листа заключается в следующем:
Полностью заклеить активный материал положительного электрода.
Предотвратить рост дендрита лития, вызванного краевыми эффектами.
Предоставление буферного пространства для расширения (отрицательные электроды на основе кремния могут расширяться до 300%).
Экспериментальные данные показывают, что аккумуляторы с конструкцией N + 1 электродной плиты могут увеличить срок службы на 15-20%.
3. Адаптация производственного процесса
Для ранистых батарей отрицательный электрод естественным образом образует "еще одну" структуру в качестве внешнего слоя.
18650 цилиндрическая батарея: 4 слоя положительного электрода → 5 слоев отрицательного электрода.
Складывающиеся батареи: достичь N + 1 сочетания с помощью точного подсчета.
Процесс складирования: путем складирования в виде "страницы книги" обеспечивается, что последовательность является положительным электродом всегда заканчивается отрицательным электродом.
Анализ особого случая
1. Различия твердотельных батарей
Некоторые твердотельные электролитные батареи могут использовать равное количество электродных листов, потому что:
Электролиты твердого состояния обладают высокой механической прочностью, которая может подавлять дендриты.
Путь ионной проводимости отличается от пути жидких батарей.
Тем не менее, промышленные продукты по-прежнему в основном сохраняют дизайн N + 1.
2Батареи для лабораторных испытаний
Симметричные батареи, используемые для исследований (такие как Li-Li батареи), нарушают это правило, но:
Они не могут быть применены на практике.
Они используются только для фундаментальных исследований.
Резюме:
Конструкция литийных батарей, имеющих "еще один отрицательный электродный лист", следующая:
✓ Необходимость электрохимических реакций
✓ Проявление инженерной оптимизации
✓ Очень важная гарантия безопасности