中國(guó)粉體網(wǎng)訊 傳統(tǒng)的濕法電極制作過(guò)程中，一方面，勻漿會(huì)用到有毒的溶劑N-甲基吡咯烷酮(NMP)，NMP的回收設(shè)備昂貴且能耗巨大，還會(huì)有部分泄漏到環(huán)境中，對(duì)人體健康和環(huán)境造成危害；另一方面，無(wú)論采用何種溶劑，均需烘箱蒸發(fā)，不僅占用大量場(chǎng)地空間，而且能耗巨大。此外，濕法電極的涂覆厚度受限，涂覆太厚，極片在烘干過(guò)程容易開(kāi)裂、剝落。
針對(duì)上述濕法電極工藝的缺陷，工程技術(shù)人員在不斷探索無(wú)溶劑化電極制作過(guò)程，目前主要采用的粉末擠壓成型法和靜電噴涂法，均實(shí)現(xiàn)了電極材料間的固相包覆及電極片的固態(tài)制備。
粉末擠壓成型法
郭德超等用粉末擠壓成型法制備N(xiāo)CM811干法電極片。將NCM811、導(dǎo)電炭黑C65和黏結(jié)劑PTFE粉末按質(zhì)量比91:3:6混合，用超高速氣流剪切分散均勻后，進(jìn)行2次熱輥壓，得到90μm厚的自支撐電極膜。將電極膜雙面置于涂碳鋁箔表面，用熱輥壓機(jī)在180℃下固化，實(shí)現(xiàn)電極膜與集流體的粘接，得到壓實(shí)密度為3.50 g/cm、190μm厚的干法電極片。
SEM分析結(jié)果表明，與傳統(tǒng)濕法電極不同，干法電極中纖維狀的PTFE廣泛分布在NCM811顆粒的周?chē)�，形成三維包覆網(wǎng)絡(luò)，顆粒之間有大量的細(xì)小孔隙，為電解液的浸潤(rùn)提供了通道。采用該干法電極片組裝的軟包裝全電池，在25℃下、以1C循環(huán)500次，容量保持率為94.89%，較濕法電極電池提高了5.05%。
此外，經(jīng)過(guò)500次循環(huán)，濕法電極中NCM811顆粒的表面和內(nèi)部均出現(xiàn)了不同程度的裂紋，而干法電極中活性材料的裂紋較少。循環(huán)前后，干法電極中PTFE的纖維結(jié)構(gòu)變化不明顯，表明PTFE的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)電極材料結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中的穩(wěn)定性，因此，干法電極的循環(huán)性能優(yōu)于濕法電極。
粉末擠壓成型法的技術(shù)核心在于粉末混合過(guò)程中實(shí)現(xiàn)黏結(jié)劑的纖維化，以形成自支撐的干態(tài)電極膜。目前的研究均采用黏結(jié)劑PTFE，但添加量大(質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)5%)，需開(kāi)發(fā)可替代的黏結(jié)劑，降低用量，以提升電極的比能量。
靜電噴涂法
Al-Shroofy等人通過(guò)靜電噴涂干粉的方式制備了LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(NMC)干法電極。整個(gè)過(guò)程消除了揮發(fā)性有機(jī)溶劑的排放，并將熱固化時(shí)間從幾小時(shí)縮短到幾分鐘。電極靜電干粉涂裝裝置如下圖所示，NMC活性顆粒、炭黑導(dǎo)電劑和PVDF粘結(jié)劑的粉末混合物在靜電的作用下被噴灑到接地的鋁箔(15μm厚)上，噴槍和鋁箔之間的直流電壓設(shè)置為25kV，噴涂層的厚度由噴涂時(shí)間確定。
靜電噴涂
將干粉涂層電極轉(zhuǎn)移到烤箱中并在170℃的空氣加熱1h，然后在室溫下壓延至最終厚度。電池性能測(cè)試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的漿料涂層電極相比，干法電極工藝噴涂的NMC電極的內(nèi)阻相差不大，循環(huán)性能穩(wěn)定，容量保持率更高。獲得了均勻的厚度和孔隙率可控的電極。
靜電噴涂法電極技術(shù)，可沿用濕法電極的材料體系配方，但該技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，要解決實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)、產(chǎn)品的一致性控制、噴涂過(guò)程中的粉塵控制等問(wèn)題，與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍有距離。
干法電極在固態(tài)電池中的應(yīng)用
王晶通過(guò)稱(chēng)取一定比例的NCM83、Li3InCl6和PTFE在研缽內(nèi)混合均勻，之后轉(zhuǎn)移到鋼質(zhì)模具中在350MPa的壓強(qiáng)下混合使PTEF纖維化，最后再壓制成型，得到PTFE干法電極。該電極可以準(zhǔn)確獲得極片活性物質(zhì)的質(zhì)量，使得正極顆粒與電解質(zhì)之間，顆粒與顆粒之間連接得更加緊密；有效減緩充放電過(guò)程中體積變化造成的正極與電解質(zhì)之間接觸失活。
添加PTFE制備的電極整體結(jié)構(gòu)，活性物質(zhì)顆粒與顆粒的間隙中充著Li3InCl6固態(tài)電解質(zhì)，并且空隙相比于粉末制備的少很多，而且活性物質(zhì)顆粒分布也更均勻。PTFE制備的電極正極材料與電解質(zhì)接觸得更加緊密，由截面可以更直觀地看到正極顆粒周?chē)蟛糠直还虘B(tài)電解質(zhì)填充，保持了良好的傳輸通道。
資料來(lái)源：
[1]王晶：高鎳三元材料在鹵化物基固態(tài)電池中的性能衰減機(jī)理及其優(yōu)化策略，北京有色金屬研究總院
[2]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
[3]張冬冬等：干法電極制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀，萬(wàn)向一二三股份公司
[4]沈白承：柔性鋰離子電池用PTFE基干法電極的制備及性能研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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