编辑搜图干法电极电池实验室制备方案

来源：厦门毅睿官网

    ‌在锂离子电池制造工艺的版图中，干法电极工艺作为一种新兴且极具潜力的技术，正逐渐崭露头角，有望对传统湿法工艺带来深刻变革，重塑电池制造的格局。

一、突破传统：原理与核心优势

    ‌传统的湿法电极制备，是将活性物质、导电剂、粘接剂等粉体材料与溶剂混合，制成均匀的浆料，再涂布到集流体上，经过烘干、溶剂回收等一系列复杂工序，才能得到最终的电极。而干法电极工艺另辟蹊径，巧妙地利用粘接剂的原纤化特性，实现了活性物质的粘连。具体而言，它将粉体材料混合后，直接制备出自支撑膜，再与集流体通过辊压等方式结合，制成电极。这一原理上的创新，带来了诸多核心优势。

编辑搜图湿法电极制造过程的流程图

    成本降低是干法电极工艺最显著的优势之一。由于摒弃了溶剂的使用，干法工艺直接省去了浆料制备、涂布后的烘干以及溶剂回收等环节。据特斯拉测算，干电极制造工艺能够帮助其节省 18% 的成本，投资成本降低 41%。从设备投资来看，涂布设备投入成本可锐减五成；从厂房空间角度，电池制造厂的占地面积仅为原来的十分之一。同时，无需使用有毒有害且价格昂贵的溶剂，也大大降低了环保成本。

    在性能提升方面，干法电极工艺同样表现出色。湿法工艺在烘干过程中，溶剂蒸发会导致活性物质和导电剂之间形成许多空隙，降低了材料的紧实度。而干法电极由于没有烘干环节，颗粒之间紧密贴合，能够实现更高的压实密度。

    例如，磷酸铁锂压实密度从 2.30g/cm³ 提升至 3.05g/cm³，提升幅度高达 32.61%；三元材料和石墨负极的压实密度也分别有 8.38% 和 11.04% 的显著提升。这意味着在相同体积下，干法电极能够容纳更多的活性物质，进而提升电池的能量密度。实测显示，干法电池能量密度可比湿法电池高 20%，甚至有突破 500 Wh/kg 的潜力。不仅如此，在实验室测试中，干法工艺电池的循环性能、耐久度和阻抗等指标全面超越湿法电池。这得益于干法电极中由特定粘接剂形成的纤维网结构，它如同坚固的 “防护罩”，紧紧包裹活性材料，有效抑制活性物质在充放电循环中的体积膨胀与脱落，使得电池性能更加稳定持久。

二、流程解析：工艺步骤详解

干法电极工艺主要包括以下几个关键步骤：

    ‌粉体混合：将活性物质、导电剂以及具有 “纤维化” 能力的粘结剂（如聚四氟乙烯 PTFE）进行充分混合。在混合过程中，借助高剪切力的作用，粘结剂从原本的球形被拉伸成细丝状，即发生 “纤维化”。这种纤维化的粘结剂形成三维网状结构，如同一张无形的大网，将活性颗粒和导电剂紧密地连接在一起，为后续形成自支撑膜奠定基础。在这个过程中，精确控制混合比例、混合时间以及剪切力的大小至关重要，它们直接影响着电极的微观结构和最终性能。

编辑搜图双行星混料机

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    自支撑膜制备：经过充分混合且粘结剂纤维化后的粉末，通过特定的设备和工艺进行挤压或压制，形成自支撑膜。常见的制膜方法有粘接剂原纤化法和静电喷涂法，其中粘接剂原纤化法是主流。在粘接剂原纤化法中，对混合粉末施加外部高剪切力，使 PTFE 等粘结剂原纤化并粘合电极膜粉末，最终挤压混合物形成具有一定强度和柔韧性的自支撑膜。在这个环节，温度、压力以及剪切力等工艺参数需要精准调控，以确保自支撑膜的质量，如膜的厚度均匀性、强度、柔韧性等。

    与集流体结合：将制备好的自支撑膜在辊压等外力作用下，与集流体紧密压合，形成最终可用的电极。在辊压过程中，需要控制好辊压的压力、温度和速度等参数，保证自支撑膜与集流体之间具有良好的粘结强度，同时避免对自支撑膜的结构造成破坏。通过精确控制这些参数，可以使电极达到理想的厚度和界面一致性，提升电极的整体性能。

三、技术前沿：工艺优化与创新

    尽管干法电极工艺优势明显，但要实现大规模应用，仍面临一些技术挑战，需要不断进行工艺优化与创新。

    在粘结剂方面，传统的如麦克斯韦所用的聚四氟乙烯（PTFE）作为超级电容器的代表性粘结剂，应用在锂离子电池中会引发锂和碳氟的副反应，导致电池失效。为此，科研人员和企业积极探索新型粘结剂或对现有粘结剂进行改性。例如，一汽在研发中自行开发了 PTFE 改性树脂作为粘结剂，成本大幅低于现有湿法工艺中的 PVDF，且通过干法制备的固态电解质膜，取代现有湿法工艺中的隔膜及电解液，从根本上提高了电池的安全性和能量密度。此外，将离子导电粘结剂（如锂离子聚合物）与 PTFE 复合使用，既能保证电极的结构稳定性，又能改善离子传导性能，为解决粘结剂的问题提供了新的思路。

    在设备和工艺参数优化上，从高速剪切混料、揉捏挤出到精密辊压，每一台设备都需要精心设计和调试。不同的设备在工艺中发挥着不同的作用，如气流粉碎机通过压缩空气高速射入粉碎腔，使物料在其中相互碰撞粉碎并实现原纤化，最后在分级腔辊压成膜，具有较高的效率；螺杆挤出机则通过螺杆搅拌、压实、混合混料，从机头挤出塑成电极膜，具有较高的良率；开炼机依靠两辊筒的速差产生剪切力，打断分子链，多次往复生成电极膜。同时，对辊压设备的要求也更高，特斯拉最新采购的 SACMI 2000 最大压力可达 3500 吨，被认为将用于干电极正极辊压。在辊压过程中，精确控制压辊的机械精度（如控制在 ±0.001mm 以内）和温度精度（如控制在 ±1℃以内），能够确保连续精密辊压后的电极膜厚度均匀、强度高且具有韧性。

    ‌在工艺路线方面，一些企业在多辊转移、分段辊压、双钢带辊压等干法成膜工艺路线上取得了阶段性成果。例如，璞泰来在这些工艺路线上深入研发，已实现干法设备出货验收。通过采用多级干法混合工艺，如上海联净利用分段式混合设备，先分散导电剂与黏结剂形成初级网络，再分步加入正极材料，有效解决了导电剂在干体系中易团聚的问题，确保了电极片内导电网络的均匀构建，提升了电极的整体导电性。其自主研发的连续式干法辊压设备，压力逐级放大，对压辊设置速差，使电极膜成型时产生 “揉” 和 “搓” 的效果，极大提高了成型效果。

四、前景展望：产业影响与未来趋势

    干法电极工艺凭借其成本、性能等多方面的优势，对电池产业产生了深远影响，并展现出广阔的未来发展趋势。

    在产业影响上，对于电池生产企业而言，干法电极工艺的应用将显著降低生产成本，提高生产效率，增强企业在市场中的竞争力。同时，由于其对环境友好，符合可持续发展的理念，有助于企业响应环保政策，树立良好的企业形象。从产业链角度看，干法电极工艺的推广将带动相关设备制造、材料研发等上下游产业的协同发展。例如，会刺激对具有更高精度和性能的纤维化设备、辊压设备的研发与制造，也会促使材料企业加大对新型粘结剂、适合干法工艺的活性物质和导电剂等材料的研发投入。

    展望未来，随着技术的不断成熟和完善，干法电极工艺有望在更多领域得到广泛应用。在电动汽车领域，其高能量密度和良好的循环性能能够有效提升电动汽车的续航里程和使用寿命，降低用户的使用成本，加速电动汽车对传统燃油汽车的替代进程。在储能领域，干法电极工艺制备的电池可以凭借成本优势和稳定的性能，更好地满足电网侧储能、分布式储能以及户用储能等不同场景的需求，为可再生能源的大规模存储和灵活调配提供有力支持。同时，干法电极工艺与下一代电池技术，如固态电池的适配性极高。它能够避免溶剂残留问题，还可通过原纤化粘接剂制作固体电解质膜，提高离子导电率，降低成本，更适合规模化生产，将为固态电池等新型电池技术的商业化推广奠定坚实基础。

    ‌干法电极工艺作为电池制造领域的革新力量，正处于快速发展的阶段。尽管面临一些挑战，但其展现出的巨大潜力和优势，使其成为推动电池产业技术进步和可持续发展的关键力量，未来必将在能源存储与应用的广阔舞台上大放异彩 。

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