Waarom is er één negatieve elektrode meer dan de positieve elektrode in lithiumbatterijontwerp?
April 22, 2025
tijdens het productieproces van lithiumbatterijen,een cruciaal ontwerpdetail is dat het aantal negatieve elektrodeplaten (anoden) altijd één meer is dan dat van de positieve elektrodeplaten (katoden)Dit schijnbaar eenvoudige numerieke verschil belichaamt in feite diepe elektrochemische principes en technische overwegingen.
Kernreden: Volledigheid van elektrochemische reacties
De essentie van de werking van lithiumbatterijen is het verplaatsen van lithiumionen tussen de positieve en negatieve elektroden:
Tijdens het opladen: Lithiumionen worden uit de positieve elektrode gehaald, door de elektrolyt gehaald en in de negatieve elektrode geïntercaleerd.
Tijdens het ontladen: Lithiumionen worden uit de negatieve elektrode gehaald en naar de positieve elektrode teruggestuurd.
Om 100% gebruik van werkzame stoffen te bereiken, moet worden gewaarborgd dat:
1Elke zijde van elke positieve elektrodeplaat komt overeen met het negatieve elektrode materiaal.
2De randgebieden van de positieve elektrode worden volledig bedekt door de negatieve elektrode.
Als het aantal elektrodeplaten gelijk was, zou de buitenste positieve elektrodeplaat één zijde rechtstreeks aan de elektrolyt blootstellen, wat resulteert in:
Het actieve materiaal aan die kant kan niet deelnemen aan de reactie.
Abnormale lokale stroming.
Mogelijke bijwerkingen zoals ontbinding van elektrolyten.
Drie belangrijke technische overwegingen
1. Optimalisatie van de huidige distributie
Het ontwerp van een negatieve elektrodeplaat maakt elke positieve elektrodeplaat in een "sandwich"-toestand:
Positieve elektrodeplaat: aan beide zijden omgeven door negatieve elektroden.
Negatieve elektrodeplaat: slechts aan één zijde is een positieve elektrode (de buitenste negatieve elektrode).
Deze indeling zorgt ervoor dat:
Symmetrische stroompaden.
Eenvormige elektronengeleiding.
Minimisering van polarisatieverschijnselen.
2Mechanisme voor de bescherming van de veiligheid
De belangrijkste rol van het extra negatieve elektrodeplaat is:
Het actieve materiaal van de positieve elektrode wordt volledig ingekapseld.
Het voorkomen van lithiumdendrite groei veroorzaakt door rand effecten.
Bied bufferruimte voor uitbreiding (negatieve elektroden op basis van silicium kunnen tot 300% uitbreiden).
Experimentele gegevens tonen aan dat batterijen met een N+1-elektrodeplaat hun levensduur met 15-20% kunnen verlengen.
3. Aanpassing van het productieproces
Bij een gewonden batterij vormt de negatieve elektrode vanzelfsprekend een "een extra" structuur als buitenste laag.
18650 cilindrische batterij: 4 lagen positieve elektrode → 5 lagen negatieve elektrode.
Stapelde batterijen: bereiken N + 1 koppeling door nauwkeurig tellen.
Stapelproces: Door op een "boekpagina" wijze te stapelen, wordt gewaarborgd dat de volgorde positief elektrode negatief elektrode positief elektrode negatief elektrode is...altijd eindigend met een negatieve elektrode.
Bijzondere gevalsanalyse
1Verschil tussen batterijen in de vaste toestand
Sommige vaste elektrolytbatterijen kunnen een gelijk aantal elektrodeplaten gebruiken omdat:
Vaste elektrolyten hebben een hoge mechanische sterkte, die dendrieten kan onderdrukken.
Het ionleidingspad verschilt van dat van vloeibare batterijen.
Voor de geïndustrialiseerde producten blijft het N+1-ontwerp echter overwegend behouden.
2Laboratoriale testbatterijen
Symmetrische batterijen die voor onderzoek worden gebruikt (zoals Li-Li batterijen) overtreden deze regel, maar:
Zij kunnen niet in de praktijk worden toegepast.
Ze worden alleen gebruikt voor fundamenteel onderzoek.
Samenvatting
"Specifiek ontworpen" voor de "ontwikkeling" van een of meer van de volgende onderdelen:
✓ Een noodzaak voor elektrochemische reacties
✓ Een manifestatie van technische optimalisatie
✓ Een cruciale veiligheidsmaatregel