鋰離子電池（LIB）已成為現(xiàn)代生活不可或缺的一部分，從手機(jī)、筆記本電腦到電動(dòng)汽車，都離不開(kāi)它的驅(qū)動(dòng)。然而，您是否曾想過(guò)，這塊看似簡(jiǎn)單的電池，其內(nèi)部核心——電極——的制造過(guò)程卻是一門極其復(fù)雜的科學(xué)？隨著全球?qū)?chǔ)能需求的日益增長(zhǎng)，如何制造出性能更高、成本更低、更安全的電池，成為了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)。

作為專注于鋰電技術(shù)前沿的觀察者與傳播者，【美能鋰電】持續(xù)關(guān)注并分享此類基礎(chǔ)研究的重大突破。我們深信，每一次技術(shù)的革新都將推動(dòng)整個(gè)行業(yè)向前邁進(jìn)。

目前，工業(yè)界普遍采用濕法工藝來(lái)制造電極。這個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單理解為：將電池的活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑等成分在溶劑中混合均勻，形成漿料，然后像“刷油漆”一樣涂覆在金屬箔集流體上，再經(jīng)過(guò)干燥、壓實(shí)（又稱壓光或輥壓）等工序，最終制成電極。

電極制造流程示意圖：漿料制備 -> 涂布 -> 干燥 -> 壓光 -> 電極分切 -> 電池組裝

盡管濕法工藝應(yīng)用廣泛，但它也面臨著幾大難題：

溶劑回收成本高：特別是常用的NMP溶劑，不僅昂貴，還有毒，其回收所需能量甚至是蒸發(fā)它的45倍。

干燥過(guò)程易產(chǎn)生缺陷：溶劑蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)劑遷移，即粘結(jié)劑向電極表面移動(dòng)，這會(huì)增加電池內(nèi)部電阻，影響性能。

漿料穩(wěn)定性難控制：漿料中的顆粒容易發(fā)生團(tuán)聚和沉降，導(dǎo)致涂層不均勻。

漿料：一切的基礎(chǔ)

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制造優(yōu)質(zhì)電極的第一步是制備出穩(wěn)定且易于加工的漿料?？蒲腥藛T通過(guò)流變學(xué)來(lái)研究漿料的流動(dòng)行為，其中粘度是最關(guān)鍵的指標(biāo)。但粘度并非一個(gè)固定值，必須在不同的剪切速率下考察。

低剪切粘度（LSV）：關(guān)系到漿料涂布后的穩(wěn)定性，高LSV有助于形成清晰的涂層邊緣，減少?gòu)U料。

高剪切粘度（HSV）：關(guān)系到涂布過(guò)程的難易，低HSV允許更快的涂布速度且不易產(chǎn)生缺陷。

正極漿料常用流變特性圖:(a) 粘度曲線 (b) 屈服應(yīng)力 (c) 振幅掃描中的模量 (d) 頻率掃描中的模量

另一個(gè)關(guān)鍵特性是屈服應(yīng)力，即讓漿料開(kāi)始流動(dòng)所需的最小力。適度的屈服應(yīng)力有助于防止沉降。此外，粘彈性（材料同時(shí)表現(xiàn)出的粘性和彈性）也能反映漿料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

然而，一個(gè)重要結(jié)論是：僅憑漿料的流變特性無(wú)法可靠地預(yù)測(cè)電池最終的電化學(xué)性能。因?yàn)榻酉聛?lái)的干燥過(guò)程對(duì)電極的微觀結(jié)構(gòu)有著巨大影響。

干燥：微妙而關(guān)鍵的步驟

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干燥是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及熱和質(zhì)的傳遞。研究發(fā)現(xiàn)，干燥并非勻速進(jìn)行，主要分為兩個(gè)階段：

薄膜收縮（Film shrinkage）：表層溶劑快速蒸發(fā)。

孔隙排空：顆粒間包裹的溶劑被移除，這一步越來(lái)越困難，耗時(shí)很長(zhǎng)。

濕漿料干燥過(guò)程的逐步示意圖

在這個(gè)過(guò)程中，高溫會(huì)加劇粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑向電極表面的遷移，導(dǎo)致成分分布不均，從而損害電池性能。因此，研究人員正在探索多階段干燥曲線（如“高-低-高”干燥速率），以期在保證質(zhì)量的同時(shí)，將干燥時(shí)間縮短高達(dá)40%。

創(chuàng)新與突破

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為了克服濕法工藝的瓶頸，科學(xué)家們正在積極研發(fā)下一代電極制造技術(shù)，主要圍繞兩個(gè)方向：

1. 減溶劑/無(wú)溶劑化

水系加工：用水替代NMP，更安全、環(huán)保且成本更低，已在石墨負(fù)極上商用，正極應(yīng)用也在攻關(guān)中。

電子束（EB）固化：使用低分子量聚合物，涂布后通過(guò)電子束交聯(lián)固化，可大幅減少甚至完全不用溶劑。

干法電極：如靜電噴涂沉積（ESD） 和干法卷對(duì)卷（DR2R） 技術(shù)，完全避免使用溶劑，直接從粉末制備電極，極具潛力。

PVDF制備的正極(a,b)與EB固化丙烯酸聚氨酯制備的正極(c,d)的微觀結(jié)構(gòu)相似性SEM圖

2. 厚電極與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

增加電極厚度可以提高電池的能量密度并降低成本，但離子傳輸路徑變長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致性能下降。解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于降低電極的曲折度——離子在電極孔隙中穿梭路徑的彎曲程度。

鋰離子電池電極的干法卷對(duì)卷制造技術(shù)示意圖

研究人員開(kāi)發(fā)了多種方法來(lái)構(gòu)建低曲折度電極結(jié)構(gòu)：

共擠出：制造出具有筆直孔道的電極。

冷凍鑄造：利用冰晶模板形成有序孔隙，冰升華后留下直孔。

激光結(jié)構(gòu)化：用激光在電極上燒蝕出精確的微通道，促進(jìn)離子快速傳輸。

磁場(chǎng)定向：添加磁性材料，通過(guò)磁場(chǎng)引導(dǎo)顆粒排列，形成有序結(jié)構(gòu)。

這些定制的電極結(jié)構(gòu)有望打破傳統(tǒng)電極中孔隙率和曲折度之間的權(quán)衡，是實(shí)現(xiàn)下一代高能量密度、高功率密度鋰電池的關(guān)鍵。

電極制造遠(yuǎn)不止簡(jiǎn)單的“混合與涂布”，它是一個(gè)涉及膠體化學(xué)、流變學(xué)、熱力學(xué)和材料科學(xué)的精密過(guò)程。每一次攪拌、每一次干燥、每一次壓實(shí)，都在微觀層面上深刻影響著電池的宏觀性能。隨著科學(xué)家們對(duì)底層機(jī)理的深入理解和創(chuàng)新工藝的不斷涌現(xiàn)，我們正朝著制造更高效、更廉價(jià)、更安全鋰離子電池的目標(biāo)穩(wěn)步邁進(jìn)，這將為電動(dòng)汽車的普及和可再生能源的存儲(chǔ)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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原文參考：Electrode Manufacturing for Lithium-Ion Batteries – Analysis of Current and Next Generation Processing