چرا یک صفحه الکترود منفی بیشتر از صفحه الکترود مثبت در طراحی باتری لیتیوم وجود دارد؟
April 22, 2025
در طول فرآیند تولید باتری های لیتیوم،یک جزئیات طراحی حیاتی این است که تعداد ورق های الکترود منفی (آنود) همیشه یک بیشتر از ورق های الکترود مثبت (کاتود) استاین تفاوت عددی ظاهرا ساده در واقع اصول الکتروشیمی و ملاحظات مهندسی عمیق را تجسم می کند.
دلیل اصلی: کامل بودن واکنش های الکتروشیمی
ماهیت کار باتری لیتیوم، انتقال یون های لیتیوم بین الکترود مثبت و منفی است:
در طول شارژ: یون های لیتیوم از الکترود مثبت استخراج می شوند، از الکترولیت عبور می کنند و به الکترود منفی متصل می شوند.
در طول تخلیه: یون های لیتیوم از الکترود منفی استخراج می شوند و به الکترود مثبت باز می گردند.
برای دستیابی به استفاده ۱۰۰٪ از مواد فعال، لازم است اطمینان حاصل شود که:
1هر طرف هر ورق الکترود مثبت با مواد الکترود منفی مطابقت دارد.
2مناطق لبه الکترود مثبت به طور کامل توسط الکترود منفی پوشانده می شوند.
اگر تعداد ورق های الکترود یکسان باشد، بیرونی ترین ورق الکترود مثبت یک طرف را مستقیماً در معرض الکترولیت قرار می دهد، که در نتیجه:
ماده فعال در آن طرف قادر به شرکت در واکنش نیست.
چگالي غيرطبيعي جريان محلي
واکنش های جانبی احتمالی مثل تجزیه الکترولیت
سه ملاحظه ی مهم مهندسی
1. بهینه سازی توزیع فعلی
طراحی داشتن یک ورق الکترود منفی بیشتر هر ورق الکترود مثبت را در حالت "ساندویچ" قرار می دهد:
ورق الکترود مثبت: توسط الکترود های منفی در هر دو طرف احاطه شده است.
ورق الکترود منفی: تنها یک طرف یک الکترود مثبت دارد (بیشترین الکترود منفی).
این طرح تضمین می کند:
مسیرهای جریان متماثل.
رسانايي الکتروني يكسان
به حداقل رساندن پدیده قطبی شدن
2مکانیسم حفاظت از ایمنی
نقش اصلی صفحه الکترود منفی اضافی این است که:
مواد فعال الکترود مثبت را به طور کامل پوشش دهید.
از رشد دندریت لیتیوم ناشی از اثرات لبه جلوگیری کنید.
فراهم کردن فضای بافر برای گسترش (الکترود های منفی مبتنی بر سیلیکون می توانند تا 300٪ گسترش یابند).
داده های تجربی نشان می دهد که باتری هایی با طرح صفحه الکترود N + 1 می توانند عمر چرخه خود را تا 15-20٪ افزایش دهند.
3سازگاری فرآیند تولید
برای باتری های زخم، الکترود منفی به طور طبیعی یک ساختار "یکی بیشتر" را به عنوان لایه بیرونی تشکیل می دهد. به عنوان مثال:
باتری استوانه ای 18650: 4 لایه الکترود مثبت → 5 لایه الکترود منفی.
باتری های انباشته شده: با شمارش دقیق به جفت گیری N+1 دست یابید.
فرآیند انباشت: با انباشت به صورت "صفحه کتاب" اطمینان حاصل می شود که توالی الکترود مثبت ️ الکترود منفی ️ الکترود مثبت ️ الکترود منفی...همیشه با یک الکترود منفی به پایان می رسد.
تجزیه و تحلیل مورد خاص
1تفاوت باتری در حالت جامد
برخی از باتری های الکترولیت در حالت جامد ممکن است از تعداد مساوی ورق الکترود استفاده کنند زیرا:
الکترولیت های جامد قدرت مکانیکی بالایی دارند که می توانند دندریت ها را سرکوب کنند.
مسیر هدایت یون با مسیر باتری مایع متفاوت است.
با این حال، محصولات صنعتی هنوز بیشتر طراحی N + 1 را حفظ می کنند.
2باتری های آزمایش آزمایشگاهی
باتری های موازی که برای تحقیقات استفاده می شوند (مانند باتری های Li-Li) این قانون را نقض می کنند، اما:
نمی تونن در عمل اجرا بشن.
اونا فقط برای تحقیقات اساسی استفاده میشن.
خلاصه:
طراحی داشتن "یک صفحه الکترود منفی بیشتر" در باتری های لیتیوم عبارت است از:
✓ نیاز به واکنش های الکتروشیمی
✓ نشان دهنده بهینه سازی مهندسی
✓ یک تضمین حیاتی برای ایمنی