中國(guó)粉體網(wǎng)訊 2019年，特斯拉曾宣布收購(gòu)超級(jí)電容與電池公司Maxwell。據(jù)Maxwell介紹，其干電極技術(shù)能將電芯的能量密度提升至300Wh/kg以上，未來(lái)有可能進(jìn)一步增加至500 Wh/kg。當(dāng)特斯拉的下一代無(wú)鈷電池被瘋傳時(shí)，有消息稱其下一代電池就是“干電極+超級(jí)電容”的組合。
對(duì)此，蜂巢能源CTO饒忠儒曾表示：“干法電極和超級(jí)電容其實(shí)不是什么新概念，技術(shù)早就存在。特斯拉真正瞄準(zhǔn)的是2025年以后的固態(tài)電池，因?yàn)楦煞姌O正是研究固態(tài)電池必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)。”
干法電極技術(shù)：一種具有潛力的電極制備技術(shù)
據(jù)中國(guó)粉體網(wǎng)小編了解，傳統(tǒng)鋰離子電池的電極多采用濕法涂敷工藝制造，這種電極需要干燥，干燥電極是個(gè)高耗能的工藝環(huán)節(jié)。濕法電極往往存在以下缺點(diǎn)：需要處理NMP等有害物質(zhì)，在涂層電極中有殘留溶劑，可能會(huì)降低電池的工作壽命和性能；成本高。創(chuàng)新電極制備工藝來(lái)降低成本和改善性能有其重要意義，干法壓制成型電極工藝應(yīng)運(yùn)而生。
干法電極技術(shù)可以提供一種簡(jiǎn)化工序、減少設(shè)備、無(wú)溶劑、低能耗、降低二氧化碳排放、環(huán)境友好、更高活性物質(zhì)負(fù)載量的儲(chǔ)能裝置電極片解決方案。早在2004年，上述Maxwell公司就成功開發(fā)出活性炭干法電極制備技術(shù)，并在超級(jí)電容器中成熟應(yīng)用。近年來(lái)，科研人員也開始嘗試?yán)酶煞姌O制備技術(shù)開發(fā)鋰離子電池電極。
郭德超等采用LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2作為活性物質(zhì)，C65作導(dǎo)電劑，PTFE作為主黏結(jié)劑，通過(guò)高剪切工藝使混合物料中的PTFE纖維化，并經(jīng)過(guò)熱輥壓工藝壓制成自支撐電極膜，隨后將電極膜分別熱復(fù)合于鋁箔集流體的兩面，最終得到無(wú)溶劑干法電極片，電極片的厚度均一，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化制備。
研究人員分別通過(guò)紐扣半電池和軟包全電池對(duì)上述干法電極片的電性能進(jìn)行了考察。結(jié)果表明，在干法電極內(nèi)部形成了一個(gè)致密、完整、柔性的黏結(jié)劑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用干法電極的軟包電池經(jīng)500圈循環(huán)充放電后，容量保持率為94.89%，相較于傳統(tǒng)的濕法涂布電極提高了約5個(gè)百分點(diǎn)。
干法電極中由PTFE纖維鏈構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以有效抑制活性物質(zhì)顆粒在充放電過(guò)程中的體積膨脹，防止活性物質(zhì)顆粒在循環(huán)過(guò)程中從集流體表面脫落。鑒于此，研究人員認(rèn)為鋰離子電池?zé)o溶劑干法電極技術(shù)是一種具有潛力的電極制備技術(shù)。
干法電極技術(shù)在全固態(tài)鋰電池正極制備中的應(yīng)用
硫化物固態(tài)電解質(zhì)粉體楊氏模量在20GPa左右，附著力大、可壓縮性大，易發(fā)生塑性形變，冷壓成型后晶界阻抗小，因此在正極層制備時(shí)，適合與正極粉體進(jìn)行直接干混。干混時(shí)在研缽中同時(shí)加入導(dǎo)電劑、硫化物電解質(zhì)、正極材料后，在攪拌器中進(jìn)行機(jī)械混合操作。
干混
硫化物固態(tài)電池正極制備工藝分為濕法涂布和干法涂布，據(jù)中國(guó)粉體網(wǎng)小編學(xué)習(xí)了解，濕法涂布工藝可能更適合放大，但制漿過(guò)程中會(huì)使用大量溶劑，這將必然導(dǎo)致部分溶劑小分子殘留在混合物中，進(jìn)而發(fā)生副反應(yīng)，從而使電解質(zhì)電導(dǎo)率下降、電池壽命衰減嚴(yán)重；溶液中的聚合物黏結(jié)劑對(duì)活性材料的包裹程度不易控制，容易導(dǎo)致傳荷失效；溶劑的揮發(fā)導(dǎo)致電極片的致密度較低，不利于電池的動(dòng)力學(xué)過(guò)程；此外規(guī)模化后溶劑的排放和回收也是不可回避的問(wèn)題。
因此，利用PTFE的干法涂布技術(shù)成為了一種選擇。它主要包括3個(gè)步驟：①將電解質(zhì)、電極、PTFE球磨干混；②將粉體輥壓成薄膜；③將薄膜與集流體輥壓成型。
干法涂布
有研究人員發(fā)現(xiàn)，僅使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的PTFE即可將NCM正極、硫化物電解質(zhì)、VGCF通過(guò)干法涂布技術(shù)制備出93μm厚的自支撐正極膜，同時(shí)展現(xiàn)出了6.5 mA·h/cm2的高面容量。也有研究人員使用各類負(fù)極材料(如硅基材料和鈦酸鋰)以及正極材料(如NMC、NCA、LFP、硫)等制備了卷對(duì)卷的干法電極，并成功商業(yè)化。已有的研究工作證明了干法涂布電極工藝在硫化物全固態(tài)鋰電池中具有一定的穩(wěn)定性。
干法電極工藝中，正極材料及其包覆層、固態(tài)電解質(zhì)和導(dǎo)電劑等多種粉體的混合效果，對(duì)后續(xù)的電池加工及性能影響很大。據(jù)中國(guó)粉體網(wǎng)小編了解，成立于1863年的古斯塔夫.愛(ài)立許機(jī)械制造公司，所研發(fā)的適合鋰電行業(yè)的新型愛(ài)立許混合機(jī)，運(yùn)用特有的專利技術(shù)，能夠高效地完成客戶對(duì)于干混/包覆的更高要求（例如：粒度更細(xì)的包覆任務(wù)、更低的混合料溫度等），達(dá)到理想的干混/包覆效果。
愛(ài)立許高速混合機(jī)
發(fā)展至今，愛(ài)立許在正極材料包覆、負(fù)極材料制備、鋰電池漿料制備，還有高固含和純干電極開發(fā)及應(yīng)用方面都取得十分顯著的成績(jī)，可以為鋰電池行業(yè)客戶提供一機(jī)多用私人定制的解決方案。在即將召開的第三屆高比能固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)大會(huì)（2022年2月22-23日，武漢）上，愛(ài)立許的金蔚經(jīng)理將為大家詳細(xì)介紹愛(ài)立許高效混合技術(shù)在固態(tài)電池關(guān)鍵材料制備中的應(yīng)用進(jìn)展。
參考來(lái)源：
崔言明等：全固態(tài)鋰電池的電極制備與組裝方法，浙江鋒鋰新能源科技有限公司
郭德超等：鋰離子電池用無(wú)溶劑干法電極的制備及其性能研究，東莞東陽(yáng)光科研發(fā)有限公司
肖艷等：碳酸氫銨對(duì)高載量干法電極性能的影響，四川長(zhǎng)虹電源有限責(zé)任公司
汽車觀察：無(wú)鈷電池占C位？
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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