Por que há mais uma folha de eletrodo negativo do que a folha de eletrodo positivo no projeto da bateria de lítio?
April 22, 2025
Durante o processo de fabrico de baterias de lítio,Um detalhe crucial do projeto é que o número de placas de eletrodos negativos (ánodos) é sempre um a mais do que o das placas de eletrodos positivos (cátodos)Esta diferença numérica aparentemente simples incorpora na verdade princípios eletroquímicos profundos e considerações de engenharia.
Razão básica: Completude das reações eletroquímicas
A essência do funcionamento da bateria de lítio é o transporte de íons de lítio entre os elétrodos positivos e negativos:
Durante a carga: os íons de lítio são extraídos do elétrodo positivo, passam pelo eletrólito e são intercalados no elétrodo negativo.
Durante a descarga: os íons de lítio são extraídos do elétrodo negativo e regressam ao elétrodo positivo.
Para se conseguir uma utilização de 100% das matérias activas, é necessário assegurar que:
1Cada lado de cada folha de eletrodo positivo corresponde ao material do eletrodo negativo.
2As regiões de borda do elétrodo positivo são completamente cobertas pelo elétrodo negativo.
Se o número de placas de eletrodos fosse o mesmo, a folha de eletrodo positivo mais externa teria um lado diretamente exposto ao eletrólito, resultando em:
O material ativo desse lado não pode participar na reação.
Densidade de corrente local anormal.
Possíveis reacções secundárias, tais como a decomposição dos eletrólitos.
Três considerações importantes da engenharia
1. Optimização da distribuição atual
O projeto de ter mais uma folha de eletrodo negativo torna cada folha de eletrodo positivo num estado "sandwich":
Folha de eletrodo positivo: rodeada por eletrodos negativos em ambos os lados.
Folha de eletrodo negativo: apenas um lado tem um eletrodo positivo (o eletrodo negativo mais externo).
Esta disposição garante:
Caminhos de corrente simétricos.
Condução uniforme de elétrons.
Minimizar fenômenos de polarização.
2Mecanismo de protecção da segurança
O papel fundamental da folha de elétrodo extra negativo é:
Encapsular completamente o material ativo do elétrodo positivo.
Prevenir o crescimento de dendrita de lítio causada por efeitos de borda.
Fornecer espaço tampão para expansão (os eletrodos negativos à base de silício podem expandir até 300%).
Os dados experimentais mostram que as baterias com uma folha de elétrodos N+1 podem aumentar a sua vida útil em 15-20%.
3- Adaptação do processo de fabrico
Para as baterias de ferida, o eletrodo negativo forma naturalmente uma estrutura "mais uma" como a camada externa.
Bateria cilíndrica 18650: 4 camadas de elétrodo positivo → 5 camadas de elétrodo negativo.
Baterias empilhadas: alcançar N + 1 emparelhamento através de contagem precisa.
Processo de empilhamento: Ao empilhar de uma maneira "página de livro", é assegurado que a sequência é elétrodo positivo elétrodo negativo elétrodo positivo elétrodo negativo...sempre terminando com um elétrodo negativo.
Análise de casos especiais
1Diferenças entre baterias de estado sólido
Algumas baterias de eletrólitos de estado sólido podem utilizar um número igual de chapas de eletrodos porque:
Os eletrólitos sólidos possuem alta resistência mecânica, o que pode suprimir os dendritos.
A trajetória de condução de íons é diferente da das baterias líquidas.
No entanto, os produtos industrializados ainda conservam a maior parte do desenho N+1.
2Baterias de ensaio de laboratório
As baterias simétricas usadas para pesquisa (como as baterias Li-Li) quebram essa regra, mas:
Não podem ser aplicadas na prática.
São usados apenas para investigação fundamental.
Resumo:
O projeto de ter "uma folha de eletrodo negativo a mais" nas baterias de lítio é o seguinte:
✓ Necessidade de reacções eletroquímicas
✓ Uma manifestação da otimização da engenharia
✓ Uma salvaguarda crucial para a segurança