中國粉體網訊 自Maxwell公司首次將干法電極技術應用于超級電容器領域并獲得巨大成功后，引發(fā)了大家對于干電極技術的關注。固態(tài)鋰離子電池的電極制備須采用干法電極技術，干法電極技術迅速成為科研界和產業(yè)界新的熱點。
干法電極技術源于“干膜技術”，干膜技術起源于制藥、合金制備和瓷器等行業(yè)，經過后續(xù)的工藝改進和技術突破，該技術被逐漸應用到儲能領域。與傳統(tǒng)濕法電極技術相比，干法電極技術表現出獨特的優(yōu)勢，主要表現在節(jié)省成本、降低能耗和提高電極質量。干法電極制備方法主要有粉末噴涂法、黏結劑纖維化成膜法和干壓法等。
干法電極與濕法電極的對比
干粉噴涂沉積設備
粉末噴涂沉積技術是利用高壓氣體預混合活性物質、導電劑和黏結劑PTFE，然后在靜電噴槍的作用下使粉末帶電并噴涂到接地的集流體上，之后通過熱軋將粉末粘合并固定在集流體上，得到最終的電極。電極的厚度和密度可以通過熱軋過程控制，電極可以在多個輥子之間傳遞，以獲得設定的電極厚度。
瑞士金馬噴槍
噴槍用于對干燥顆粒進行充電，帶電的干燥顆粒將在接地集流體上沉積。熱輥用于控制電極的厚度和壓實密度，代替了用于控制漿料涂覆厚度的刮刀，使用熱輥可以快速實現黏結劑的熱活化，取代了傳統(tǒng)漿料涂覆電極中蒸發(fā)溶劑所需的烘箱。
北京匯誠中大熱輥
干粉噴涂沉積技術可有效降低黏結劑的使用量，并且可以通過卷對卷的方式進行噴涂，是一種較為理想的濕法電極替代技術。然而，干粉噴涂沉積技術的研究目前仍處于實驗室階段，與現有的鋰離子電池產線設備不兼容，準確控制電極的厚度仍然具有挑戰(zhàn)性。
黏結劑纖維化設備
黏結劑纖維化成膜法是指在電極活性材料和導電添加劑粉體均勻混合后，向其中添加改性的聚四氟乙烯（PTFE）黏結劑，粉體在經過混合和強剪切力作用后形成團聚體。強剪切力使聚四氟乙烯微球變成原纖維、形成基質，從而將電極粉體混合和支撐在一起。這一過程被稱為黏結劑原纖維化，其效果受設備和工藝參數的影響，并直接影響電池的電化學性能。若黏結劑未能充分混合和剪切，則可能導致無法形成自支撐膜；或由于黏結劑團聚而增加自支撐膜的阻抗。
黏結劑纖維化成膜步驟
目前，商用PTFE纖維化方法較多，主要包括氣流磨法、高速混合機法及雙螺桿法，但核心目標都是實現PTFE的均勻分散和精細拉絲。
常用的用于黏結劑纖維化的工具有氣流粉碎機、螺桿擠出機、輥磨機等，以提供強大的剪切力，此外還有高速混合機。對于氣流粉碎機，進料速度、研磨壓力和注射壓力會影響電極膜的拉伸強度和阻抗。
黏結劑纖維化技術具有良好的可拓展性和兼容性，有望取代當前的濕法涂覆技術，然而，目前已報道的可用于該技術的黏結劑種類十分有限，因此為不同的儲能器件系統(tǒng)匹配可纖維化的黏結劑是未來的研究重點。
直接壓制設備
干壓法將電極材料（如鎳鈷錳酸鋰）、導電添加劑(如多壁碳納米管)和干燥的PVDF粉體等進行預混合，然后將混合物壓覆在腐蝕鋁箔上，再通過輥壓進一步熱壓制備出干法電極。與傳統(tǒng)濕法涂覆工藝相比，這種方法制備的電極具有更高的機械強度和性能，并且能夠實現高負載量。
直接壓制技術在操作過程中，會用到壓力機、液壓機或其他適當的設備，對填充到模具中的混合物進行壓制。然而，剛性模具壓制存在應力和密度不均勻的缺點，這是需要進一步優(yōu)化的。
輥壓已經成為設計干法電極中備受關注的工序之一。通過調整輥壓機對輥的間隙、壓制力和輥子旋轉比，產生的剪切力會導致干混料額外混合和分散，從而形成表面光滑的電極膜。輥壓是保證電極厚度均勻一致的關鍵步驟，通過設置不同作用的輥，能夠直接實現電極的壓制和層壓，進而實現電池電極的連續(xù)生產�；谳亯簷C的方法可能成為干電池電極制備的主流方向。
贏合科技輥壓機
例如，為了達到量產速度，超級電容活性炭電極通常采用臥式大輥粗壓與立式精壓相結合的方式；而電池干法電極則更傾向于采用多級差速連續(xù)輥壓模式。然而，剪切力受顆粒大小影響，需要精確控制以最大限度地減少整個過程中的薄膜破裂、膨脹和邊緣變形。
其它工藝設備
氣相沉積設備
氣相沉積是指通過物理或者化學方法使原料蒸發(fā)汽化，然后將汽化的原料沉積到基底上制備電極的技術。這項技術最早用于金屬工具表面涂層的制備，后來經技術迭代發(fā)展，逐步應用到儲能領域。氣相沉積技術包括磁控濺射、熱蒸發(fā)、脈沖激光沉積和原子層沉積等，這些技術均有對應的專用設備。
北方華創(chuàng)物理氣相沉積系統(tǒng)
氣相沉積技術具有設備復雜、需要真空環(huán)境和產量小等缺點。因此，目前氣相沉積技術只適用于小尺寸電極的制造，比如微電子器件和高度集成的電路。較高的生產成本和復雜的成膜工藝限制了其在電動汽車和消費電子產品領域的應用。
熱熔擠壓設備
熱熔擠壓技術是將原材料混合并加熱至熔融狀態(tài)，隨后熔融混合物經模具擠出，形成薄膜、片材或電極片等特定形式。雙螺桿擠出機是目前常用的原料勻漿設備，擠壓工藝的參數設定十分重要，決定了產品的質量，比如熔融的溫度要確�；旌衔锾幱谧罴褦D出狀態(tài)。同時，螺桿配置、類型、尺寸的選擇和螺桿旋轉速度直接影響產品質量和產量。
熱熔擠壓技術可促進活性材料顆粒和導電碳基體之間的相互作用，并且黏結劑體系可實現電極孔隙率和厚度的精確控制。但是，此工藝需要較高含量的聚合物粘合劑，以及需要后續(xù)進行的脫粘合劑和燒結程序所需的高溫條件，限制了其大規(guī)模產業(yè)化的實現。
3D打印技術是近些年來興起的一項新技術，這項技術是將配置好的油墨按照預先的程序打印到基底上，然后通過干燥技術使油墨固定，即生成所需電極。根據技術工藝分類，目前可以用于制備鋰離子電池干法電極的3D打印技術有四種，分別是直接墨水書寫、噴墨打印、熱塑性材料熔融沉積成型和立體光固化成型技術，都有對應的3D打印設備。3D打印技術可根據特定應用需求定制電極的厚度和形態(tài)。然而，與氣相沉積類似，目前該技術不適用于大規(guī)模的電極生產。
參考來源：
[1]干法電極在超級電容器和鋰離子電池中的應用，張國磊等，工程科學學報2025
[2]干法電極技術在超級電容器和鋰離子電池中的研究進展，徐桂培等，儲能科學與技術2024
（中國粉體網編輯整理/平安）
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