中國粉體網(wǎng)訊 干法電極技術(shù)是鋰離子電池發(fā)展的一個(gè)重要途徑，其可以減少碳排放、降低成本并增加能量密度。然而，僅通過優(yōu)化制造工藝或修改現(xiàn)有電極組件無法實(shí)現(xiàn)干法電極的商業(yè)化。因此，迫切需要對(duì)干法電極的核心組件進(jìn)行材料創(chuàng)新：粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑和集流體等。所以，要實(shí)現(xiàn)干法電極技術(shù)的商業(yè)化，不僅需要理解工藝本身，還需要深入理解目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界使用的材料。
干法電極技術(shù)工藝
干法電極技術(shù)是指通過物理或化學(xué)方法將粉末狀的活性材料、導(dǎo)電劑和少量或無粘結(jié)劑混合并成型為自支撐或非自支撐的薄膜，作為鋰離子電池的正極、負(fù)極或固態(tài)電解質(zhì)。
當(dāng)前先進(jìn)的商業(yè)化的鋰離子電池主要采用制漿涂布的方式進(jìn)行電極制造。
制漿是將陽極或陰極活性粉體、導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑及助劑均勻分散于溶劑中形成穩(wěn)定懸浮液的過程，一般來說，去離子水用于陽極，而有機(jī)溶劑N-甲基吡咯烷酮（NMP）用于陰極漿料制備。
涂布是將制備好的漿液通過槽模涂布機(jī)澆鑄在基材，然后在數(shù)十米長的烘箱中干燥。
干燥是在高溫下進(jìn)行的，以便在短時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)溶劑。干燥溫度受物料、溶劑（水或NMP）、涂布速度等因素的影響，干燥溫度通常超過100℃，過程中伴隨著大量的能量消耗；同時(shí)陰極制造中，由于NMP潛在的環(huán)境危害，需要昂貴而復(fù)雜的NMP回收系統(tǒng)，更進(jìn)一步增加了制造成本。
與制漿涂布工藝相比，干法電極技術(shù)步驟更少，電芯制造成本綜合降低18%，降幅0.056元/Wh。制漿涂布工藝中，涂布干燥及溶劑回收環(huán)節(jié)，分別占設(shè)備、人工、廠房成本和能源成本的22.76%和 53.99%。干法電極技術(shù)將制漿涂布工藝的漿料涂布改為制造自支撐膜，因此它無需 NMP 溶劑，省去了電極干燥及溶劑回收環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)更低的電芯制造成本。
干法電極技術(shù)對(duì)環(huán)境更友好，且更適配大規(guī)模生產(chǎn)。NMP溶劑有毒，對(duì)環(huán)境不友好，且在制漿涂布工藝中需要對(duì)其進(jìn)行回收，會(huì)消耗大量的能量。干法電極技術(shù)工藝流程更簡單，設(shè)備占地面積更小，更適配極片的大規(guī)模生產(chǎn)。
干法電極技術(shù)可以做到更大的壓實(shí)密度，相同條件下，干法電池能量密度可提升20%，干法電極能量密度可以超過300 Wh/kg，且具備實(shí)現(xiàn)500 Wh/kg的可能性。干法電極厚度極限更大，可以提升面容量。傳統(tǒng)濕法電極涂布厚度極限是160µm，而干法的厚度區(qū)間為30µm-5mm，更大的厚度區(qū)間也能適配更多樣的活性物質(zhì)。
另外，干法電極技術(shù)拋棄傳統(tǒng)液態(tài)溶劑，與固態(tài)電池設(shè)計(jì)理念類似。在干法電極技術(shù)的賦能下，固態(tài)電池的極片制造過程可以實(shí)現(xiàn)完全干燥，消除了濕法工藝烘干后，溶劑分子的殘留問題。利用粘接劑的原纖化作用制造固體電解質(zhì)膜，還能提升固態(tài)電池性能。
盡管干法電極技術(shù)有較多優(yōu)點(diǎn)，但也面臨一些挑戰(zhàn)，如電極成膜的均勻度和一致性控制較難，這包括多方面的挑戰(zhàn)，工藝配比優(yōu)化、混料工藝參數(shù)調(diào)整及工藝異常識(shí)別檢測(cè)等。
干法電極技術(shù)成為唯一選擇？
2024年6月5日，美國環(huán)境保護(hù)局（EPA）提議限制NMP的使用。要實(shí)現(xiàn)無NMP鋰離子電池的制造，有兩種方案：一是，使用水系勻漿替代油性NMP；二是，使用干法電極替代油性NMP勻漿。
水性正極材料粘結(jié)劑目前主流采用的是聚四氟乙烯（PTFE）乳液，主要用于磷酸鐵鋰正極材料，因?yàn)槠渌龢O材料吸水性較強(qiáng)，不適合使用水進(jìn)行勻漿。具體工藝為將聚四氟乙烯粒子與水混合研磨成聚四氟乙烯乳液，再將聚四氟乙烯乳液添加到磷酸鐵鋰正極材料漿料中進(jìn)行勻漿。但水系磷酸鐵鋰容量發(fā)揮相對(duì)于油系磷酸鐵鋰容量低1-2%，再加上當(dāng)前聚偏二氟乙烯（PVDF）價(jià)格較2022年的高位降低了90%，使用水系磷酸鐵鋰已沒有優(yōu)勢(shì)，采用該技術(shù)路線的企業(yè)很少。
所以，干法電極技術(shù)制備鋰離子電池成為行業(yè)的研發(fā)重點(diǎn)。目前干法電極技術(shù)在負(fù)極涂布環(huán)節(jié)已經(jīng)成功使用，但在正極涂布環(huán)節(jié)尚未成功應(yīng)用。
干法電極技術(shù)的材料方面
1、粘結(jié)劑
在干法電極技術(shù)中，粘結(jié)劑起著將活性材料、導(dǎo)電劑和固態(tài)電解質(zhì)牢固地結(jié)合在一起，并附著到集流體上的重要作用。常見的干法電極粘結(jié)劑包括：
聚四氟乙烯（PTFE）：它是干法電極技術(shù)中最佳的粘結(jié)劑選擇。然而，PTFE無法直接應(yīng)用于干電極，必須經(jīng)過改性處理。改性方法包括在PTFE表面涂覆導(dǎo)電碳等實(shí)現(xiàn)粘接劑的鈍化，或者將PTFE與非原纖化材料（如PVDF、CMC）混合以提高電極膜性能。
聚偏氟乙烯（PVDF）：也是干法電極中常用的一種高分子粘結(jié)劑材料。
2、導(dǎo)電劑
導(dǎo)電劑在干法電極中用于提高電極的導(dǎo)電性，確保電流在電池中順暢流動(dòng)。常見的導(dǎo)電劑包括：
碳黑：一種常用的導(dǎo)電添加劑，因其良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于電池材料中。
石墨：同樣是一種優(yōu)秀的導(dǎo)電材料，常用于提高電池的導(dǎo)電性能和能量密度。
3、集流體
集流體是電池中導(dǎo)電的部分，通常使用具有高導(dǎo)電性的材料制成，以便將電流從電極傳輸?shù)酵獠侩娐贰Ｔ诟煞姌O技術(shù)中，常見的集流體材料包括：
銅箔：具有高導(dǎo)電性和良好的延展性，是鋰離子電池中常用的正極集流體材料。
鋁箔：同樣具有高導(dǎo)電性，且相對(duì)于銅箔更輕，常用于鋰離子電池的負(fù)極集流體或某些特定類型的正極集流體。
而干法電極技術(shù)需要粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑和集流體的材料創(chuàng)新。需要開發(fā)具有廣泛電化學(xué)窗口的可纖維化粘結(jié)劑，以替代目前有限的粘結(jié)劑選擇（如PTFE），同時(shí)要深入了解聚合物粘結(jié)劑的物理和化學(xué)性質(zhì)以及熱性質(zhì)，以提高電極的制造性能和電化學(xué)性能；探索更高效、更經(jīng)濟(jì)的導(dǎo)電劑材料，以提高電極的導(dǎo)電性和能量密度；研究新型集流體材料，以提高其導(dǎo)電性、耐腐蝕性和與干電極層的附著力。
干法電極技術(shù)商業(yè)化
近日，清研納科智能裝備科技有限公司對(duì)干法電極技術(shù)具備量產(chǎn)的前置條件進(jìn)行了介紹。
①粘結(jié)劑的含量與濕法漿料相當(dāng)，小于2.0%，關(guān)乎于內(nèi)阻；公司目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)負(fù)極PTFE<1.0%，正極PTFE<1.5%。
②混合粉體的流動(dòng)性與濕法漿料相當(dāng)，流沙若水，關(guān)乎于成膜速度；公司目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)負(fù)極速度>80m/min，正極速度>50m/min。
③粉體直接成膜的速度、寬度與濕法涂布相當(dāng)，關(guān)乎于生產(chǎn)效率；公司目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)幅寬>1000mm，實(shí)現(xiàn)多條幅（6幅）制造。
④熱復(fù)合的速度與壓力，與濕法電極輥壓機(jī)相當(dāng)，關(guān)乎于壓實(shí)密度；公司目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)負(fù)極壓實(shí)>1.6，三元壓實(shí)>3.5，鐵鋰壓實(shí)>2.5。
綜合來看，若要實(shí)現(xiàn)干法電極技術(shù)的商業(yè)化需要在技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)、規(guī)模化生產(chǎn)、市場(chǎng)需求以及質(zhì)量與安全等方面進(jìn)行攻克，共同推動(dòng)干法電極技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程，為新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
參考來源：
劉凝.干法成型電極技術(shù)的研究進(jìn)展
如何攻克干法電極工藝？.科研云平臺(tái)
綠色能源的新希望—干法電極工藝.元能科技
ACS Energy Lett：干法電極技術(shù)，用什么材料很關(guān)鍵！.電化學(xué)能源
清研納科智能裝備科技有限公司
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除！
