中國粉體網訊 干法電極技術是鋰離子電池發(fā)展的一個重要途徑，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)有電極組件無法實現(xiàn)干法電極的商業(yè)化。因此，迫切需要對干法電極的核心組件進行材料創(chuàng)新：粘結劑、導電劑和集流體等。所以，要實現(xiàn)干法電極技術的商業(yè)化，不僅需要理解工藝本身，還需要深入理解目前學術界和工業(yè)界使用的材料。
干法電極技術工藝
干法電極技術是指通過物理或化學方法將粉末狀的活性材料、導電劑和少量或無粘結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、負極或固態(tài)電解質。
當前先進的商業(yè)化的鋰離子電池主要采用制漿涂布的方式進行電極制造。
制漿是將陽極或陰極活性粉體、導電劑、黏結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澆鑄在基材，然后在數十米長的烘箱中干燥。
干燥是在高溫下進行的，以便在短時間內蒸發(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；同時陰極制造中，由于NMP潛在的環(huán)境危害，需要昂貴而復雜的NMP回收系統(tǒng)，更進一步增加了制造成本。
與制漿涂布工藝相比，干法電極技術步驟更少，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)，分別占設備、人工、廠房成本和能源成本的22.76%和 53.99%。干法電極技術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)，實現(xiàn)更低的電芯制造成本。
干法電極技術對環(huán)境更友好，且更適配大規(guī)模生產。NMP溶劑有毒，對環(huán)境不友好，且在制漿涂布工藝中需要對其進行回收，會消耗大量的能量。干法電極技術工藝流程更簡單，設備占地面積更小，更適配極片的大規(guī)模生產。
干法電極技術可以做到更大的壓實密度，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。
另外，干法電極技術拋棄傳統(tǒng)液態(tài)溶劑，與固態(tài)電池設計理念類似。在干法電極技術的賦能下，固態(tài)電池的極片制造過程可以實現(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膜，還能提升固態(tài)電池性能。
盡管干法電極技術有較多優(yōu)點，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、混料工藝參數調整及工藝異常識別檢測等。
干法電極技術成為唯一選擇？
2024年6月5日，美國環(huán)境保護局（EPA）提議限制NMP的使用。要實現(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，因為其它正極材料吸水性較強，不適合使用水進行勻漿。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行勻漿。但水系磷酸鐵鋰容量發(fā)揮相對于油系磷酸鐵鋰容量低1-2%，再加上當前聚偏二氟乙烯（PVDF）價格較2022年的高位降低了90%，使用水系磷酸鐵鋰已沒有優(yōu)勢，采用該技術路線的企業(yè)很少。
所以，干法電極技術制備鋰離子電池成為行業(yè)的研發(fā)重點。目前干法電極技術在負極涂布環(huán)節(jié)已經成功使用，但在正極涂布環(huán)節(jié)尚未成功應用。
干法電極技術的材料方面
1、粘結劑
在干法電極技術中，粘結劑起著將活性材料、導電劑和固態(tài)電解質牢固地結合在一起，并附著到集流體上的重要作用。常見的干法電極粘結劑包括：
聚四氟乙烯（PTFE）：它是干法電極技術中最佳的粘結劑選擇。然而，PTFE無法直接應用于干電極，必須經過改性處理。改性方法包括在PTFE表面涂覆導電碳等實現(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劑材料。
2、導電劑
導電劑在干法電極中用于提高電極的導電性，確保電流在電池中順暢流動。常見的導電劑包括：
碳黑：一種常用的導電添加劑，因其良好的導電性和穩(wěn)定性而被廣泛應用于電池材料中。
石墨：同樣是一種優(yōu)秀的導電材料，常用于提高電池的導電性能和能量密度。
3、集流體
集流體是電池中導電的部分，通常使用具有高導電性的材料制成，以便將電流從電極傳輸到外部電路。在干法電極技術中，常見的集流體材料包括：
銅箔：具有高導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：同樣具有高導電性，且相對于銅箔更輕，常用于鋰離子電池的負極集流體或某些特定類型的正極集流體。
而干法電極技術需要粘結劑、導電劑和集流體的材料創(chuàng)新。需要開發(fā)具有廣泛電化學窗口的可纖維化粘結劑，以替代目前有限的粘結劑選擇（如PTFE），同時要深入了解聚合物粘結劑的物理和化學性質以及熱性質，以提高電極的制造性能和電化學性能；探索更高效、更經濟的導電劑材料，以提高電極的導電性和能量密度；研究新型集流體材料，以提高其導電性、耐腐蝕性和與干電極層的附著力。
干法電極技術商業(yè)化
近日，清研納科智能裝備科技有限公司對干法電極技術具備量產的前置條件進行了介紹。
①粘結劑的含量與濕法漿料相當，小于2.0%，關乎于內阻；公司目標是實現(xiàn)負極PTFE<1.0%，正極PTFE<1.5%。
②混合粉體的流動性與濕法漿料相當，流沙若水，關乎于成膜速度；公司目標是實現(xiàn)負極速度>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，關乎于生產效率；公司目標是實現(xiàn)幅寬>1000mm，實現(xiàn)多條幅（6幅）制造。
④熱復合的速度與壓力，與濕法電極輥壓機相當，關乎于壓實密度；公司目標是實現(xiàn)負極壓實>1.6，三元壓實>3.5，鐵鋰壓實>2.5。
綜合來看，若要實現(xiàn)干法電極技術的商業(yè)化需要在技術創(chuàng)新與研發(fā)、規(guī)�；a、市場需求以及質量與安全等方面進行攻克，共同推動干法電極技術的商業(yè)化進程，為新能源產業(yè)的發(fā)展做出貢獻。
參考來源：
劉凝.干法成型電極技術的研究進展
如何攻克干法電極工藝？.科研云平臺
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，用什么材料很關鍵！.電化學能源
清研納科智能裝備科技有限公司
（中國粉體網編輯整理/蘇簡）
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