Mengapa ada satu lembaran elektroda negatif lebih dari lembaran elektroda positif dalam desain baterai lithium?
April 22, 2025
Selama proses pembuatan baterai lithium,detail desain penting adalah bahwa jumlah lembaran elektroda negatif (anode) selalu satu lebih dari lembaran elektroda positif (katode)Perbedaan numerik yang tampaknya sederhana ini sebenarnya mewujudkan prinsip-prinsip elektrokimia yang mendalam dan pertimbangan teknik.
Alasan Utama: Keseluruhan Reaksi Elektro Kimia
Inti dari operasi baterai lithium adalah shuttling ion lithium antara elektroda positif dan negatif:
Selama pengisian: Ion lithium diekstraksi dari elektroda positif, melewati elektrolit, dan disisipkan ke elektroda negatif.
Selama pelepasan: Ion lithium diekstraksi dari elektroda negatif dan kembali ke elektroda positif.
Untuk mencapai 100% pemanfaatan bahan aktif, perlu memastikan bahwa:
1Setiap sisi setiap lembaran elektroda positif sesuai dengan bahan elektroda negatif.
2Wilayah tepi elektroda positif sepenuhnya ditutupi oleh elektroda negatif.
Jika jumlah lembaran elektroda sama, lembaran elektroda positif terluar akan memiliki satu sisi yang langsung terpapar elektrolit, menghasilkan:
Bahan aktif di sisi itu tidak dapat berpartisipasi dalam reaksi.
Kepadatan arus lokal yang tidak normal.
Kemungkinan reaksi samping seperti dekomposisi elektrolit.
Tiga Pertimbangan Teknik Utama
1. Optimasi Distribusi Saat Ini
Desain memiliki satu lembar elektroda negatif lagi membuat setiap lembar elektroda positif dalam keadaan "sandwich":
Lembar elektroda positif: Dikelilingi oleh elektroda negatif di kedua sisi.
Lembar elektroda negatif: Hanya satu sisi memiliki elektroda positif (elektrod negatif terluar).
Tata letak ini memastikan:
Jalur arus simetris.
Konduksi elektron seragam.
Meminimalkan fenomena polarisasi.
2. Mekanisme Perlindungan Keselamatan
Peran utama lembaran elektroda ekstra negatif adalah untuk:
Mengekap sepenuhnya bahan aktif dari elektroda positif.
Mencegah pertumbuhan lithium dendrite yang disebabkan oleh efek tepi.
Memberikan ruang buffer untuk ekspansi (elektrod negatif berbasis silikon dapat memperluas hingga 300%).
Data eksperimen menunjukkan bahwa baterai dengan desain lembaran elektroda N+1 dapat memperpanjang umur siklusnya sebesar 15-20%.
3. Adaptasi Proses Manufaktur
Untuk baterai luka, elektroda negatif secara alami membentuk struktur "satu lagi" sebagai lapisan luar.
18650 baterai silinder: 4 lapisan elektroda positif → 5 lapisan elektroda negatif.
Baterai yang ditumpuk: Mencapai N + 1 pasangan melalui penghitungan yang tepat.
Proses penumpuk: Dengan menumpuk dengan cara "halaman buku", dijamin bahwa urutan adalah elektroda positif ️ elektroda negatif ️ elektroda positif ️ elektroda negatif...selalu berakhir dengan elektroda negatif.
Analisis Kasus Khusus
1. Perbedaan Baterai Solid-State
Beberapa baterai elektrolit keadaan padat dapat menggunakan jumlah lembaran elektroda yang sama karena:
Elektrolit keadaan padat memiliki kekuatan mekanik yang tinggi, yang dapat menekan dendrit.
Jalur konduksi ion berbeda dari baterai cair.
Namun, produk industri masih sebagian besar mempertahankan desain N + 1.
2Baterai uji laboratorium
Baterai simetris yang digunakan untuk penelitian (seperti baterai Li-Li) melanggar aturan ini, tetapi:
Mereka tidak dapat diterapkan dalam praktek.
Mereka hanya digunakan untuk penelitian dasar.
Ringkasan:
Desain memiliki "satu lembaran elektroda negatif lagi" dalam baterai lithium adalah:
✓ Kebutuhan untuk reaksi elektrokimia
✓ Sebuah manifestasi dari optimisasi teknik
✓ Perlindungan penting untuk keselamatan