Warum gibt es ein negatives Elektrodenblatt mehr als das positive Elektrodenblatt im Lithiumbatteriedesign?
April 22, 2025
Bei der Herstellung von LithiumbatterienEin entscheidendes Konstruktionsdetail ist, dass die Anzahl der negativen Elektrodenblätter (Anoden) immer um eine mehr ist als die der positiven Elektrodenblätter (Kathoden)Dieser scheinbar einfache numerische Unterschied verkörpert tiefgreifende elektrochemische Prinzipien und technische Überlegungen.
Hauptgrund: Vollständigkeit elektrochemischer Reaktionen
Das Wesen des Lithiumbatterienbetriebs ist die Übertragung von Lithiumionen zwischen den positiven und negativen Elektroden:
Während des Ladevorgangs: Lithiumionen werden aus der positiven Elektrode extrahiert, durch den Elektrolyt geleitet und in die negative Elektrode eingegliedert.
Während der Entladung: Lithiumionen werden aus der negativen Elektrode extrahiert und zur positiven Elektrode zurückgebracht.
Um eine 100%ige Verwertung der Wirkstoffe zu erreichen, muss sichergestellt werden, dass
1Jede Seite jedes positiven Elektrodenbleches entspricht dem negativen Elektrodenmaterial.
2Die Randbereiche der positiven Elektrode werden vollständig von der negativen Elektrode bedeckt.
Wenn die Anzahl der Elektrodenblätter gleich wäre, wäre eine Seite des äußeren positiven Elektrodenblätters direkt dem Elektrolyt ausgesetzt, so dass:
Der Wirkstoff auf dieser Seite kann nicht an der Reaktion teilnehmen.
Abnormale lokale Stromdichte.
Mögliche Nebenwirkungen wie Elektrolytzerfall.
Drei wichtige technische Erwägungen
1. Aktuelle Optimierung der Verteilung
Die Konstruktion mit einem zusätzlichen negativen Elektrodenblatt macht jedes positive Elektrodenblatt in einem "Sandwich"-Zustand:
Positive Elektrodenplatte: Auf beiden Seiten von negativen Elektroden umgeben.
Negative Elektrodenblatt: Nur eine Seite hat eine positive Elektrode (die äußerste negative Elektrode).
Dieses Layout gewährleistet:
Symmetrische Strompfade.
Gleichmäßige Elektronenleitung.
Minimierung von Polarisierungserscheinungen.
2. Sicherheitsschutzmechanismus
Die Hauptaufgabe des zusätzlichen Negativelektrodenblattes besteht darin:
Das aktive Material der positiven Elektrode wird vollständig eingekapselt.
Lithium-Dendrit-Wachstum durch Randwirkung verhindern.
Bereitstellung von Pufferraum für die Expansion (negative Elektroden auf Siliziumbasis können sich um bis zu 300% erweitern).
Experimentelle Daten zeigen, dass Batterien mit einem N+1-Elektrodenblatt ihre Lebensdauer um 15-20% verlängern können.
3. Anpassung des Herstellungsprozesses
Bei Wundebatterien bildet die negative Elektrode als Außenschicht natürlich eine "eine weitere" Struktur.
18650 zylindrische Batterie: 4 Schichten positiver Elektrode → 5 Schichten negativer Elektrode.
Stapelte Batterien: Durch präzise Zählung erreichen Sie eine N+1-Verknüpfung.
Stapelprozess: Durch das Stapeln auf "Buchseite" Weise wird sichergestellt, dass die Sequenz positive Elektrode ∼ negative Elektrode ∼ positive Elektrode ∼ negative Elektrode ist...immer mit einer negativen Elektrode endend.
Besondere Fallanalyse
1Unterschiede zwischen Festkörperbatterien
Einige Festkörper-Elektrolytbatterien können eine gleiche Anzahl von Elektrodenblättern verwenden, da
Festkörper-Elektrolyte haben eine hohe mechanische Festigkeit, die Dendriten unterdrücken kann.
Der Ionenleitungsweg unterscheidet sich von dem der Flüssigbatterien.
Allerdings behalten die industrialisierten Produkte dennoch größtenteils das N+1-Design.
2Laboratoriumsprüfbatterien
Symmetrische Batterien, die für Forschungszwecke verwendet werden (z. B. Li-Li-Batterien), brechen diese Regel, aber:
Sie können nicht in der Praxis angewendet werden.
Sie werden nur für Grundlagenforschung verwendet.
Zusammenfassung:
Die Konstruktion eines "weiteren negativen Elektrodenblattes" in Lithiumbatterien ist wie folgt:
✓ Notwendigkeit elektrochemischer Reaktionen
✓ Eine Manifestation der technischen Optimierung
✓ Ein entscheidender Schutz für die Sicherheit