中國粉體網(wǎng)訊 自Maxwell公司首次將干法電極技術(shù)應(yīng)用于超級(jí)電容器領(lǐng)域并獲得巨大成功后，引發(fā)了大家對(duì)于干電極技術(shù)的關(guān)注。固態(tài)鋰離子電池的電極制備須采用干法電極技術(shù)，干法電極技術(shù)迅速成為科研界和產(chǎn)業(yè)界新的熱點(diǎn)。
干法電極技術(shù)源于“干膜技術(shù)”，干膜技術(shù)起源于制藥、合金制備和瓷器等行業(yè)，經(jīng)過后續(xù)的工藝改進(jìn)和技術(shù)突破，該技術(shù)被逐漸應(yīng)用到儲(chǔ)能領(lǐng)域。與傳統(tǒng)濕法電極技術(shù)相比，干法電極技術(shù)表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在節(jié)省成本、降低能耗和提高電極質(zhì)量。干法電極制備方法主要有粉末噴涂法、黏結(jié)劑纖維化成膜法和干壓法等。
干法電極與濕法電極的對(duì)比
干粉噴涂沉積設(shè)備
粉末噴涂沉積技術(shù)是利用高壓氣體預(yù)混合活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和黏結(jié)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(gè)輥?zhàn)又g傳遞，以獲得設(shè)定的電極厚度。
瑞士金馬噴槍
噴槍用于對(duì)干燥顆粒進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)黏結(jié)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(shù)可有效降低黏結(jié)劑的使用量，并且可以通過卷對(duì)卷的方式進(jìn)行噴涂，是一種較為理想的濕法電極替代技術(shù)。然而，干粉噴涂沉積技術(shù)的研究目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，與現(xiàn)有的鋰離子電池產(chǎn)線設(shè)備不兼容，準(zhǔn)確控制電極的厚度仍然具有挑戰(zhàn)性。
黏結(jié)劑纖維化設(shè)備
黏結(jié)劑纖維化成膜法是指在電極活性材料和導(dǎo)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(jié)劑，粉體在經(jīng)過混合和強(qiáng)剪切力作用后形成團(tuán)聚體。強(qiáng)剪切力使聚四氟乙烯微球變成原纖維、形成基質(zhì)，從而將電極粉體混合和支撐在一起。這一過程被稱為黏結(jié)劑原纖維化，其效果受設(shè)備和工藝參數(shù)的影響，并直接影響電池的電化學(xué)性能。若黏結(jié)劑未能充分混合和剪切，則可能導(dǎo)致無法形成自支撐膜；或由于黏結(jié)劑團(tuán)聚而增加自支撐膜的阻抗。
黏結(jié)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(jī)法及雙螺桿法，但核心目標(biāo)都是實(shí)現(xiàn)PTFE的均勻分散和精細(xì)拉絲。
常用的用于黏結(jié)劑纖維化的工具有氣流粉碎機(jī)、螺桿擠出機(jī)、輥磨機(jī)等，以提供強(qiáng)大的剪切力，此外還有高速混合機(jī)。對(duì)于氣流粉碎機(jī)，進(jìn)料速度、研磨壓力和注射壓力會(huì)影響電極膜的拉伸強(qiáng)度和阻抗。
黏結(jié)劑纖維化技術(shù)具有良好的可拓展性和兼容性，有望取代當(dāng)前的濕法涂覆技術(shù)，然而，目前已報(bào)道的可用于該技術(shù)的黏結(jié)劑種類十分有限，因此為不同的儲(chǔ)能器件系統(tǒng)匹配可纖維化的黏結(jié)劑是未來的研究重點(diǎn)。
干壓法將電極材料（如鎳鈷錳酸鋰）、導(dǎo)電添加劑(如多壁碳納米管)和干燥的PVDF粉體等進(jìn)行預(yù)混合，然后將混合物壓覆在腐蝕鋁箔上，再通過輥壓進(jìn)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(jī)械強(qiáng)度和性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高負(fù)載量。
直接壓制技術(shù)在操作過程中，會(huì)用到壓力機(jī)、液壓機(jī)或其他適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，對(duì)填充到模具中的混合物進(jìn)行壓制。然而，剛性模具壓制存在應(yīng)力和密度不均勻的缺點(diǎn)，這是需要進(jìn)一步優(yōu)化的。
輥壓已經(jīng)成為設(shè)計(jì)干法電極中備受關(guān)注的工序之一。通過調(diào)整輥壓機(jī)對(duì)輥的間隙、壓制力和輥?zhàn)有D(zhuǎn)比，產(chǎn)生的剪切力會(huì)導(dǎo)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(guān)鍵步驟，通過設(shè)置不同作用的輥，能夠直接實(shí)現(xiàn)電極的壓制和層壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電池電極的連續(xù)生產(chǎn)�；谳亯簷C(jī)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(jī)
例如，為了達(dá)到量產(chǎn)速度，超級(jí)電容活性炭電極通常采用臥式大輥粗壓與立式精壓相結(jié)合的方式；而電池干法電極則更傾向于采用多級(jí)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(gè)過程中的薄膜破裂、膨脹和邊緣變形。
其它工藝設(shè)備
氣相沉積設(shè)備
氣相沉積是指通過物理或者化學(xué)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(shù)。這項(xiàng)技術(shù)最早用于金屬工具表面涂層的制備，后來經(jīng)技術(shù)迭代發(fā)展，逐步應(yīng)用到儲(chǔ)能領(lǐng)域。氣相沉積技術(shù)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(shù)均有對(duì)應(yīng)的專用設(shè)備。
北方華創(chuàng)物理氣相沉積系統(tǒng)
氣相沉積技術(shù)具有設(shè)備復(fù)雜、需要真空環(huán)境和產(chǎn)量小等缺點(diǎn)。因此，目前氣相沉積技術(shù)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(chǎn)成本和復(fù)雜的成膜工藝限制了其在電動(dòng)汽車和消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用。
熱熔擠壓設(shè)備
熱熔擠壓技術(shù)是將原材料混合并加熱至熔融狀態(tài)，隨后熔融混合物經(jīng)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(jī)是目前常用的原料勻漿設(shè)備，擠壓工藝的參數(shù)設(shè)定十分重要，決定了產(chǎn)品的質(zhì)量，比如熔融的溫度要確�；旌衔锾幱谧罴褦D出狀態(tài)。同時(shí)，螺桿配置、類型、尺寸的選擇和螺桿旋轉(zhuǎn)速度直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。
熱熔擠壓技術(shù)可促進(jìn)活性材料顆粒和導(dǎo)電碳基體之間的相互作用，并且黏結(jié)劑體系可實(shí)現(xiàn)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(jìn)行的脫粘合劑和燒結(jié)程序所需的高溫條件，限制了其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)。
3D打印技術(shù)是近些年來興起的一項(xiàng)新技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)是將配置好的油墨按照預(yù)先的程序打印到基底上，然后通過干燥技術(shù)使油墨固定，即生成所需電極。根據(jù)技術(shù)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(shù)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(shù)，都有對(duì)應(yīng)的3D打印設(shè)備。3D打印技術(shù)可根據(jù)特定應(yīng)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(shù)不適用于大規(guī)模的電極生產(chǎn)。
參考來源：
[1]干法電極在超級(jí)電容器和鋰離子電池中的應(yīng)用，張國磊等，工程科學(xué)學(xué)報(bào)2025
[2]干法電極技術(shù)在超級(jí)電容器和鋰離子電池中的研究進(jìn)展，徐桂培等，儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)2024
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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