绿色能源的新希望：干法电极技术的无限可能

2020年，4680全极耳大圆柱的出现，将干法电极技术带入大众的视野。作为4680大圆柱电池核心潜力技术之一，干法电极与全极耳、高镍高硅和CTC集成技术并列为46系列四大革新技术。干法电极在降低电池成本，提升电池性能上有着湿法工艺无可比拟的优势，被认为是半固态、全固态和46系列大圆柱电池的理想工艺。

干法电极技术是指通过物理或化学方法将粉末状的活性材料、导电剂和少量或无粘结剂混合并成型为自支撑或非自支撑的薄膜，作为锂离子电池的正极、负极或固态电解质。

图片来源：清研电子

1、干法电极技术的优点

a. 降低成本：干法电极技术节省了溶剂、溶剂蒸发、回收和干燥设备的成本，也减少了对环境的影响。据估计，采用干法工艺生产100万个锂离子电池（20.5 Ah，3.7 V）的产线，每年可节省约 56%（约为 8.5 亿人民币）的生产成本。

b. 提升电极均匀性：干法电极技术在混合过程中不会使用溶剂，因此可以实现电极材料各组分的均匀分布，避免因溶剂蒸发引起的电极分层。

c. 增大电极活性物质载量：干法电极技术可以轻松控制电极厚度和厚电极的均匀性，不会产生裂纹，在制备厚电极方面具有独特的优势，适于超高载量电极的制备。

d. 适配硫化物固态电解质：干法电极技术避免使用有机/极性溶剂，在制备过程中只需极少量的粘合剂，特别适用于制备硫化物全固态电池。由于不会使用与硫化物固态电解质发生反应的溶剂，因此干法工艺有助于更好地制备硫化物固态电解质膜并保持其高离子电导率。

2.干法电极的制备技术

目前主要采用的是粉末挤压成型法和静电喷涂法，均实现了电极材料间的固相包覆及电极片的固态制备。

（1）粉末挤压成型法

粉末挤压成型法的技术核心在于粉末混合过程中实现黏结剂的纤维化，以形成自支撑的干态电极膜。

国内已有多项相关专利报道，对挤压成型干法电极的制备方法进行了研究，涉及的内容主要有：干法电极材料的制备，干法电极用高黏性、可导电黏结剂的制备，用电磁冲击波提升混合粉末的均匀性，引入造孔剂在自支撑电极膜内部造孔，引入有机聚合物助剂来混合黏结剂或活性物质粉料，将干态粉料直接在集流体上辊压成型，以及在自支撑电极膜和集流体中间增加导电胶涂层等。

但目前的研究均采用黏结剂聚四氟乙烯（PTFE），其添加量大（质量分数超过5%），需开发可替代的黏结剂，降低用量，以提升电极的比能量。

（2）静电喷涂法

静电喷涂法是通过使用静电喷涂设备将完全干燥的电极材料、粘结剂和导电剂等带电颗粒均匀吸附在集流体上，并通过后续辊压等工艺加工制备干法电极。

静电喷涂法电极技术，可沿用湿法电极的材料体系配方，但该技术尚处于实验室研究阶段，要解决实现批量化生产、产品的一致性控制、喷涂过程中的粉尘控制等问题，与产业化应用仍有距离。

3.干法电极技术制备固态电解质

固态电解质是全固态电池的重要组成部分，其制备方法有很多种，其中干法制备方法备受关注。干法电极技术可以制造高能量密度和更优异循环性能的硫化物全固态电池。

然而，硫化物固态电解质的化学/电化学稳定性较差，因此需要专注于提高硫化物固态电解质的空气稳定性和界面稳定性。为了提高硫化物全固态电池能量密度，降低电极层固态电解质含量和电解质层厚度是必不可少的。因此，用电解质包覆活性材料是构建锂离子导电网络、降低电极层电解质含量的一种有效方法。粉末静电喷涂技术、粘结剂原纤维化、粉末压片和气相沉积等干法制备电解质技术非常适合降低电解质层厚度。

（1）粉末静电喷涂技术

粉末静电喷涂技术是利用静电力实现粉末材料直接沉积的方法，但这种方法需要使用较多的粘合剂（>5%），粘合剂熔化后会粘附在电极颗粒表面形成绝缘层，阻碍离子和电子的传导。

为了解决这一问题，许多科研人员和企业开始了无粘合剂制备全固态电池电极和电解质膜的研究。其中，日本丰田汽车公司（Toyota Motor Corporation）和日立造船株式会社 (Hitachi Zosen Corporation）利用硫化物固态电解质优异的机械性能，成功开发出了无粘合剂制备全固态电池电极和电解质膜的方法。这种膜制备方法可以制备薄的电解质层（<50 µm），从而获得兼具高容量、优异倍率性能和相对高负载的全固态电池。该方法的关键是制备厚度均匀的电极和电解质层。

（2）粘结剂原纤维化法

粘结剂原纤维化法是干法制备固态电解质膜的常用方法之一，通常需要以下步骤：

a. 根据一定比例将电解质粉末（锂盐等）、添加剂与粘结剂混合。

b. 对混合材料进行机械作用，使粘结剂在高速剪切作用下形成纤维状结构，实现纤维化。

c. 混合物还需经过高温热处理以维持最优良的纤维化状态，最后经过密炼后辊压成膜并根据需要进行裁切等后处理，制备成所需的固态电解质膜。

通过机械作用实现粘结剂的纤维化和网络交联制备固态电解质的干法膜制技术，被认为是实现高性能全固态电池的关键工艺途径之一。目前，通过粘合剂原纤维化制备固态电解质膜尚处于起步阶段。在相关报道中，粘合剂原纤维化步骤是手动完成的，大规模生产方法和设备的发展还需要不断的努力。

（3）粉末压片

粉末压片是一种常见的干法制备技术，其主要原理是将电解质材料粉末加入成型模具中，并在高压下进行压制以实现材料致密化。

近年来，研究人员对粉末压片技术进行了改进，例如采用高温、高压等工艺参数，以提高制备效率和降低制备成本。

（4）气相沉积法

气相沉积法是一种在制备固态电解质材料过程中经常使用的无溶剂技术，具有高效、均一、无污染等优点，因此在固态电解质材料的制备中得到了广泛应用。

采用物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）方法制备的全固态电池，其电池整体厚度通常仅数十微米量级，这使其极易集成在微机电系统（MEMS）中，可为各类新型小型智能电子设备提供微型化电源。

4.干法电极产业化

虽然2020年特斯拉就已经公布了干法电极技术在4680电池中的应用，但是干法正极工艺仍然是阻碍应用干法电极4680电池量产的重要掣肘，目前特斯拉量产的4680电池仍采用湿法电极工艺。而采用干法电极工艺的4680实验室样件仅有负极采用干法，正极仍然采用湿法电极工艺。

据了解，为助力干法电极产业化瓶颈突破，国内锂电前端设备企业清研纳科、嘉拓智能等正在积极配合头部锂电池客户，进行干法电极制造相关设备的技术开发。

2023年，清研纳科在CIBF推出国内首台套“粉体成膜复合一体化装备”，实现电极膜成型以及电极膜与集流体复合的一体化，将干法电极技术从“理想照进现实”，率先开启干法电极产业化进程。

在刚结束的第十六届CIBF2024，清研纳科再度推出了重磅产品“粉体成膜双面复合一体化装备”，该智能装备将助推干法电极进入小规模化量产阶段，生产速度将达到50m/min，单台设备的年产能为0.5Gwh。

参考来源：

张冬冬等.干法电极制备技术的研究现状

李庆盈等.电极和相关材料的干法制备技术

深圳清研电子科技有限公司、粉体网等

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