Tại sao có thêm một tấm điện cực âm hơn tấm điện cực dương trong thiết kế pin lithium?
April 22, 2025
Trong quá trình sản xuất pin lithium,một chi tiết thiết kế quan trọng là số lượng tấm điện cực âm (anode) luôn luôn nhiều hơn một tấm điện cực dương (cathode)Sự khác biệt số lượng dường như đơn giản này thực sự thể hiện các nguyên tắc điện hóa học sâu sắc và các cân nhắc kỹ thuật.
Lý do chính: Sự hoàn chỉnh của các phản ứng điện hóa
Bản chất của hoạt động pin lithium là chuyển các ion lithium giữa các điện cực dương và âm:
Trong quá trình sạc: Các ion lithium được chiết xuất từ điện cực dương, đi qua chất điện giải và được chèn vào điện cực âm.
Trong quá trình xả: Các ion lithium được chiết xuất từ điện cực âm và trở lại điện cực dương.
Để đạt được 100% sử dụng các chất hoạt chất, cần đảm bảo rằng:
1Mỗi bên của mỗi tấm điện cực dương tương ứng với vật liệu điện cực âm.
2Các vùng cạnh của điện cực dương được bao phủ hoàn toàn bởi điện cực âm.
Nếu số lượng tấm điện cực giống nhau, tấm điện cực bên ngoài nhất sẽ có một mặt tiếp xúc trực tiếp với chất điện giải, dẫn đến:
Các chất hoạt tính ở phía đó không thể tham gia vào phản ứng.
Mật độ điện địa phương bất thường.
Các phản ứng phụ có thể xảy ra như phân hủy chất điện giải.
Ba cân nhắc kỹ thuật chính
1. Tối ưu hóa phân phối hiện tại
Thiết kế có thêm một tấm điện cực âm làm cho mỗi tấm điện cực tích cực ở trạng thái "sandwich":
Bảng điện cực dương: Được bao quanh bởi các điện cực âm ở cả hai bên.
Bảng điện cực âm: Chỉ có một bên có điện cực dương (các điện cực âm bên ngoài nhất).
Cấu trúc này đảm bảo:
Đường đi của dòng điện đối xứng.
Chế độ dẫn điện tử đồng nhất.
Giảm thiểu hiện tượng phân cực.
2Cơ chế bảo vệ an toàn
Vai trò quan trọng của tấm điện cực âm tính bổ sung là:
Hoàn toàn đóng gói vật liệu hoạt động của điện cực dương.
Ngăn chặn sự phát triển của dendrite lithium do tác dụng cạnh.
Cung cấp không gian đệm để mở rộng (các điện cực âm dựa trên silicon có thể mở rộng lên đến 300%).
Dữ liệu thử nghiệm cho thấy pin với thiết kế tấm điện cực N + 1 có thể tăng tuổi thọ chu kỳ của chúng lên 15-20%.
3- Chuyển đổi quy trình sản xuất
Đối với pin sợi, điện cực âm tự nhiên tạo thành một cấu trúc "một hơn" như lớp bên ngoài.
18650 pin hình trụ: 4 lớp điện cực dương → 5 lớp điện cực âm.
Pin xếp chồng lên nhau: đạt được sự ghép nối N + 1 thông qua đếm chính xác.
Quá trình xếp chồng: Bằng cách xếp chồng theo cách "bảng sách", nó đảm bảo rằng trình tự là điện cực dương ∙ điện cực âm ∙ điện cực dương ∙ điện cực âm...luôn kết thúc bằng điện cực âm.
Phân tích trường hợp đặc biệt
1Sự khác biệt giữa pin trạng thái rắn và pin trạng thái rắn
Một số pin điện giải chất ở trạng thái rắn có thể sử dụng cùng số lượng tấm điện cực vì:
Các chất điện giải ở trạng thái rắn có độ bền cơ học cao, có thể ức chế các dendrit.
Con đường dẫn ion khác với các pin lỏng.
Tuy nhiên, các sản phẩm công nghiệp hóa vẫn chủ yếu giữ lại thiết kế N + 1.
2Các pin thử nghiệm trong phòng thí nghiệm
Các pin đối xứng được sử dụng cho nghiên cứu (như pin Li-Li) vi phạm quy tắc này, nhưng:
Chúng không thể áp dụng trong thực tế.
Chúng chỉ được sử dụng cho nghiên cứu cơ bản.
Tóm lại:
Thiết kế có "một tấm điện cực âm nữa" trong pin lithium là:
✓ Sự cần thiết cho các phản ứng điện hóa
✓ Một biểu hiện của việc tối ưu hóa kỹ thuật
✓ Một biện pháp bảo vệ quan trọng cho an toàn