圆柱电池极片为什么要设计成阴阳面？
圆柱电池由于其优异的热管理、结构稳定性和通过标准化工艺适用于大规模生产的优势，具有一定的市场地位，特别是在笔记本电脑、电动自行车领域。而且自4680大圆柱电池出现后，圆柱电池受到更多的关注。但是，圆柱形电池在卷绕过程中自然地引起电极弯曲，这会影响电极的机械和微结构退化。而且，电极曲率随卷芯径向位置而变化，这导致负极与正极容量比（N/P比）的局部变化。这些变化又会导致局部电化学性能变化，造成容量不一致并增加锂金属沉积的风险。
不管圆柱卷绕还是方形卷绕，卷芯都存在弯曲部分，曲线偏离直线的程度可以用曲率表示，即数学上表明曲线在某一点的弯曲程度的数值。
图1 曲线C在M点的曲率定义示意图
曲率的数学定义如图1所示，设M为曲线C上任一点，在点 M处作曲线的切线T和法线DM，在曲线的凹向一侧法线上取点D使
以D为中心，R为半径的圆叫做曲线在点M处的曲率圆(密切圆)，R叫做曲率半径，D叫做曲率中心，K即为曲线C上M点的曲率，数值等于曲率半径R的倒数。曲率计算方法为：如果曲线y=f（x）在M点一阶导数为y’和二阶导数为y’’，则曲率为：
对于圆柱卷芯，卷绕电极可用阿基米德螺旋线表示，此时卷芯任意一点的曲率 κ为：
其中，φ为该点的极角（即卷绕的角度），螺线参数a计算方法为：
dascs是卷芯中基本组成单元的厚度，相当于正极、负极极片的厚度和两层隔膜的厚度，如图2所示。
图2 电池基本组成单元及其厚度示意图
如图3所示，X射线计算机断层扫描（CT）图像显示了21700和4680电池的螺旋结构内电极曲率的变化。这些变化表明曲率显著改变了沿着径向的弧长（图3c和d）正负极接触区域。电极曲率根据径向位置不同引起接触面积的变化，从而影响参与反应的活性材料的量。因此，这些变化可能严重影响负极与正极容量比（N/P比）。
N/P比公式由负极和正极的可逆容量比计算，主要由电极的面积容量和它们的接触面积确定，计算公式如下：
在叠片电池中，正负极之间的接触面积在整个电池中是均匀的，使得N/P比相对简单。但是，在圆柱电池中，由阿基米德螺旋线形成的螺旋卷结构导致不同的径向位置出现接触面积的变化。图3e展示了两种情况：Case1，其中正极是凸形的，具有更大的与负极的接触面积，导致比叠片电极更高的N/P比；以及Case2，正极是凹形的，表现出更小的与负极的接触面积，导致更低的N/P比。
图3 21700型（a，c）和4680型（b，d）圆柱形LIB的X射线CT图像。(e)平面电极和(f)曲面电极的反应界面示意图。
通过模拟和理论计算，圆柱电池随着卷芯半径的曲率、负极-正极弧长以及当负极和正极N/P为1.1时对应的N/P比值变化如图4所示。
图4
圆柱电池卷绕模拟和曲率、极片弧长、N/P理论计算
文献1设计加工了如图5所示的工装夹具，组装单层正负极的软包电池，然后把软包电池安装在不同半径的圆辊上，从而模拟21700电池不同卷芯半径处对应曲率下的情况（图6），研究电极曲率对电池N/P和电池性能的影响。对于10 mm以下的半径，其中接触面积的变化更明显，设定了三个不同的实验组（r= 3，5，6.5 mm）。相反，对于10 mm以上的半径，接触面积变化不太明显，设置了两个实验组（r= 10，20 mm）。 因此，将圆柱体的半径设定为3、5、6.5、10和20 mm，分别对应于约0.34、0.20、0.15、0.10和0.05 mm-1的曲率。
使用20 mm × 25 mm正极和22 mm × 27 mm负极制造单片软包全电池，隔膜的尺寸为25 mm × 30 mm，两种电池类型使用相同的隔膜和电解质。所有全电池的N/P比为1.10，N/P比对于情况1下约为1.08，对于情况2约为1.13。
图5
(a)不同曲率的定制工具和组件。(b)使用此工具设计的袋式软包全电池示意图。(c)组装的软包电池的照片。对于（d）Case1和（e）Case2，电极的重建图像作为滚动半径的函数。(f)基于电极曲率的负极极片弧长，通过X射线CT和理论计算确定。
图6 图5中所示不同半径下曲率在21700电池中对应的位置
为了对比和验证结果，还做了不同N/P比值的平面电极（没有曲率）的单片电池。对于Case1，其中正极是凸形的，具有更大的与负极的接触面积，导致更高的N/P比，随着卷芯半径增加，电极曲率降低，N/P比逐步降低（图4）；对于Case2，正极是凹形的，与负极的接触面积更小，导致更低的N/P比，随着卷芯半径增加，电极曲率降低，N/P比逐步升高（图4）。
如图7所示，对于Case1，随着卷芯半径增加，容量降低；对于Case2，随着卷芯半径增加，容量升高。换算成对应的N/P，放电容量与N/P的关系如图7b所示，电极曲率引起的N/P比值变化与平面电极的不同N/P比值，和放电容量的关系吻合，这说明电极弯曲曲率确实引起了曲率变化，进一步导致N/P比值，从而影响电池性能。放电dQ/dV曲线峰对应的电压值与N/P比值如图7e和f所示，电极曲率引起的N/P比和平板电极设定的不同N/P比与峰电压关系曲线也相互吻合。
图7
（a）不同曲率下全电池在0.1C下的放电容量作为卷绕半径和（b）N/P比的关系。(c)Case1、Case2和平面电极电池的电压曲线和（d）放电dQ/dV曲线。(e)阳极峰4的强度（a4）和（f）dQ/dV曲线上局部最小峰1（M1）和峰2（M2）之间的电压差，相对于N/P比的关系
图8 (a) 正极半电池, (b) 负极半电池,和(c) N/P 为1.10的全电池的充放电曲线，(d)正极半电池, (e) 负极半电池, (f) 全电池的放电dQ/dV曲线
不同卷芯半径下负极充电状态电极厚度增加值比较如图9所示。对于Case1，随着卷芯半径增加，电极曲率降低，N/P比逐步降低，负极过量容量降低，对应电极荷电状更高，电极充电厚度更大。对于Case2，随着卷芯半径增加，电极曲率降低，N/P比逐步升高，负极过量容量增加，对应电极荷电状更低，电极充电厚度更小。
图9 不同卷芯半径下负极充电状态电极厚度增加值比较
圆柱电池中，负极两侧都有涂层，分别对应Case1和Case2的情况，充电状态下两侧的电极厚度明显不一样。这种差异就是电极曲率引起的N/P变化引起的。
图10 21700电池负极电极在不同卷芯半径下充电状态电极厚度比较
因此，圆柱电池极片需要设计为阴阳面，两侧设计不同的面载量，使两侧的N/P一致，从而让电池电极一致性更好，如图11所示。
图11 电极两侧阴阳面设计不同的面载量使电池N/P更一致
参考文献：Byeong-Jin Jeon, Yeong-Hyeon Lee, Kyeong-Min Jeong,Unveiling the impact of electrode curvature on N/P ratio variations in cylindrical lithium-ion batteries, Energy Storage Materials,Volume 76,2025,104117
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