Lityum pil tasarımında neden pozitif elektrottan daha fazla negatif elektrot var?
April 22, 2025
Lityum pillerin üretim sürecinde,Önemli bir tasarım ayrıntısı, negatif elektrot levhalarının (anotların) sayısının her zaman pozitif elektrot levhalarının (katotların) sayısından bir daha fazla olmasıdır.Bu görünüşte basit sayısal fark aslında derin elektrokimyasal ilkeleri ve mühendislik düşüncelerini temsil eder.
Temel Sebep: Elektrokimyasal Reaksiyonların Tamlığı
Lityum bataryası işleyişinin özü, pozitif ve negatif elektrotlar arasında lityum iyonlarının nakliye edilmesidir:
Şarj sırasında: Lityum iyonları pozitif elektrottan çıkarılır, elektrolitten geçer ve negatif elektrot içine yerleştirilir.
Serbestleme sırasında: Lityum iyonları negatif elektrottan çıkarılır ve pozitif elektrota geri döner.
Etkin maddelerin %100 kullanımına ulaşmak için şunların sağlanması gerekir:
1Her pozitif elektrot levhasının her tarafı negatif elektrot malzemesine karşılık gelir.
2Pozitif elektrodun kenar bölgeleri tamamen negatif elektrot tarafından kaplıdır.
Elektrot levhalarının sayısı aynı olsaydı, en dış pozitif elektrot levhasının bir tarafı doğrudan elektrolite maruz kalırdı ve sonuç olarak:
Bu taraftaki aktif madde reaksiyona katılamıyor.
Anormal yerel akım yoğunluğu.
Elektrolit parçalanması gibi olası yan reaksiyonlar.
Üç Ana Mühendislik Düşüncesi
1. Mevcut Dağıtım Optimizasyonu
Bir tane daha negatif elektrot levhasına sahip olma tasarımı, her pozitif elektrot levhasını "sandviç" durumunda yapar:
Pozitif elektrot levhası: Her iki taraftan da negatif elektrotlar ile çevrili.
Negatif elektrot levhası: Sadece bir tarafında pozitif bir elektrot vardır (en dış negatif elektrot).
Bu düzen şunları sağlar:
Simetrik akım yolları.
Tekdüze elektron iletkenliği.
Kutuplaşma olaylarının en aza indirgenmesi.
2Güvenlik Koruma Mekanizması
Ekstra negatif elektrot levhasının temel rolü şunlardır:
Pozitif elektrodun aktif malzemesini tamamen kapsüle edin.
Kenar etkilerinden kaynaklanan lityum dendrite büyümesini önlemek.
Genişleme için tampon alanı sağlayın (silikon bazlı negatif elektrotlar %300'e kadar genişleyebilir).
Deneysel veriler, N + 1 elektrot levhası tasarımı olan pillerin döngü ömrünün% 15-20 oranında arttığını göstermektedir.
3Üretim süreci uyarlaması
Yaralı piller için, negatif elektrot doğal olarak dış katman olarak "bir tane daha" yapı oluşturur.
18650 silindirli batarya: 4 katman pozitif elektrot → 5 katman negatif elektrot.
Yığılmış piller: hassas sayım yoluyla N + 1 eşleştirmeye ulaşın.
Yığma işlemi: "kitap sayfası" şeklinde yığarak, dizilimin pozitif elektrot negatif elektrot pozitif elektrot negatif elektrot olmasını sağlar.Her zaman negatif bir elektrotla biter..
Özel Vaka Analizi
1Katı Durumlu Piller Arasındaki Farklar
Bazı katı durumlu elektrolit piller eşit sayıda elektrot levhasını kullanabilir çünkü:
Katı durumdaki elektrolitler yüksek mekanik dayanıklılığa sahiptir, bu da dendritleri bastırır.
İyon iletkenlik yolu sıvı pillerden farklıdır.
Bununla birlikte, sanayileşmiş ürünler hala çoğunlukla N + 1 tasarımını koruyorlar.
2Laboratuvar testi bataryaları
Araştırma için kullanılan simetrik piller (Li-Li pilleri gibi) bu kuralı ihlal eder, ancak:
Onlar pratikte uygulanamazlar.
Sadece temel araştırma için kullanılırlar.
Özet:
Lityum pillerinde "bir negatif elektrot levhası daha" olma tasarımı şöyledir:
✓ Elektrokimyasal reaksiyonlar için gerekli
✓ Mühendislik optimizasyonunun bir ifadesi
✓ Güvenlik için çok önemli bir koruma