עיצוב התלייה של סוללות ליתיום-יון מתייחס לתכנון אזור מעבר לאלקטרודה החיובית באלקטרודה השלילית של הסוללה.
1 מטרת עיצוב
המטרה העיקרית של תכנון Overhang היא למנוע משקעים של דנדריטים ליתיום על משטח האלקטרודה השלילי, ובכך לשפר את הבטיחות וחיי המחזור של הסוללה. היווצרות של דנדריטים ליתיום היא בעיה מרכזית איתה מתמודדים סוללות ליתיום, שכן הן עלולות לגרום לקצרים פנימיים, להוביל לבריחה תרמית, ובכך לאיים על בטיחות הסוללה. על ידי הגדלת שטח האלקטרודה השלילית, עיצוב Overhang יכול להפחית את המשקעים של יוני ליתיום על פני האלקטרודה השלילית ולהוריד את הסיכון להיווצרות דנדריט ליתיום.
2 עקרונות עיצוב
גידול שטח אלקטרודה שלילי:גודל לוחית האלקטרודה השלילית בדרך כלל גדול בהרבה מזה של האלקטרודה החיובית. עיצוב גודל זה יכול לספק מקום נוסף להחדרת יון ליתיום ולהפחית משקעי ליתיום דנדריט הנגרמים על ידי השפעות קצה.
בקרת יחס N/P:בתכנון סוללת ליתיום, ליחס בין קיבולת האלקטרודה השלילית לקיבולת האלקטרודה החיובית (יחס N/P) יש השפעה משמעותית על ביצועי הסוללה. בדרך כלל, יחס ה-N/P מוגדר בין 1.03 ל-1.5 כדי להבטיח שלאלקטרודה השלילית יש יכולת מספקת לקלוט יוני ליתיום. יחס N/P סביר עוזר למנוע היווצרות של דנדריטים ליתיום תוך הבטחת ביצועי הטעינה והפריקה הרגילים של הסוללה.
3 חסרונות ואתגרים
להפחית את צפיפות האנרגיה:תכנון התליה מגדיל את שטח האלקטרודה השלילית, וכתוצאה מכך לעלייה כוללת במסת הסוללה. שמירה על נפח הסוללה קבוע תפחית את צפיפות האנרגיה של הסוללה, שהיא כמות האנרגיה שניתן לאחסן ליחידת מסה או ליחידת נפח.
השפעה על היעילות הראשונית של קולומביה:ככל ששטח האלקטרודה השלילי גדל, היעילות הקולומבית הראשונית של הסוללה עלולה לרדת. הסיבה לכך היא שיותר יוני ליתיום עלולים ליצור סרטי SEI או לעבור תגובות בלתי הפיכות אחרות במהלך תהליך הטעינה והפריקה הראשוניים, וכתוצאה מכך לאובדן קיבולת הסוללה.
הגדלת עלויות:תכנון תוספת מחייב גידול בכמות החומר האלקטרודה השלילי בשימוש, ובכך להגדיל את עלות הייצור של הסוללה. בנוסף, על מנת לייעל את הגודל והצורה של ה-Overhang, עשויה להידרש עבודת מחקר ובדיקה נוספת, מה שגם יעלה את עלות פיתוח הסוללה.
בעיות פוטנציאליות בביצועי רכיבה על אופניים:אזורים מופרזים עלולים להשפיע לרעה על ביצועי הרכיבה של הסוללה. הסיבה לכך היא ששטח אלקטרודה שלילי גדול מדי עלול להוביל להיווצרות סרט SEI ופירוק מואץ של אלקטרוליט, ובכך להאיץ את תהליך הפירוק של הסוללה. בנוסף, הדיפוזיה לרוחב של יוני ליתיום עשויה להשפיע גם על התפלגות ריכוזי הליתיום באזור Overhang, ובכך להשפיע על ביצועי הסוללה.
4 האם עיצוב ה-Overhang מתאים לכל סוגי הסוללות
עיצוב כיסוי מתאים בעיקר לסוגי סוללות ליתיום-יון המהווים סיכון למשקעי ליתיום דנדריט. היווצרות של דנדריטים ליתיום היא בעיה מרכזית איתה מתמודדים סוללות ליתיום, שכן הן עלולות לגרום לקצרים פנימיים, להוביל לבריחה תרמית, ובכך לאיים על בטיחות הסוללה. לכן, עבור סוגי סוללות הנוטים ליצור דנדריטים ליתיום, עיצוב Overhang הוא אמצעי יעיל לשיפור הבטיחות.
עם זאת, לא כל סוללות הליתיום-יון נמצאות בסיכון למשקעי ליתיום דנדריט. ייתכן שסוגי סוללות מסוימים לא ייצרו בקלות ליתיום דנדריטים עקב אופטימיזציה בבחירת החומר, ניסוח אלקטרוליטים, מבנה הסוללה והיבטים אחרים. עבור סוגי סוללות אלה, ייתכן שלא יהיה צורך בתכנון Overhang ואף עלול להביא לעלויות נוספות ומורכבות.
עיצוב ה-Overhang של סוללות ליתיום-יון אינו ישים לכל סוגי הסוללות. הוא מתאים בעיקר לסוגי סוללות המהווים סיכון למשקעי ליתיום דנדריט, ודורש התחשבות מקיפה בגורמים כמו בטיחות הסוללה, צפיפות האנרגיה ועלות במהלך תהליך התכנון. עבור סוגי סוללות אחרים שאינם נוטים ליצור דנדריטים ליתיום, ניתן להחליט על עיצוב זה על סמך נסיבות ספציפיות.