干法電極技術(shù)為何成為固態(tài)電池行業(yè)新寵？

近年來，固態(tài)電池干法電極工藝技術(shù)取得了顯著進(jìn)展。在材料選擇方面，研究人員開發(fā)了適用于干法電極的新型粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑，如熱塑性聚合物和碳納米管等，這些材料不僅具有良好的粘結(jié)性和導(dǎo)電性，還能在干法工藝條件下實現(xiàn)均勻分散。在工藝優(yōu)化方面，通過改進(jìn)混合設(shè)備和優(yōu)化工藝參數(shù)，如混合時間、轉(zhuǎn)速和溫度等，有效提高了電極材料的均勻性和一致性。 

設(shè)備創(chuàng)新是推動干法電極技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。新型干法電極設(shè)備采用先進(jìn)的粉末分散和壓延技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的厚度控制和更高的生產(chǎn)效率。

干法電極技術(shù)

干法電極是一種新型的電極制備技術(shù)，不使用液態(tài)溶劑，直接將活性材料、導(dǎo)電劑和粘合劑的固態(tài)粉末混合在一起。其制作過程為：先將活性材料、導(dǎo)電劑、粘合劑混合，混合過程中粉末被拉成纖維狀，再將纖維狀的物質(zhì)壓成薄片貼在箔體。

制備方式有粘合劑原纖化和靜電噴涂兩種。

粘合劑原纖化是主流制造方法，該方法主要分為粉料混合、纖維化、輥壓三大環(huán)節(jié)。粘合劑原纖化方法在混合環(huán)節(jié)需要將直徑較大的顆粒更加粉碎，降低后續(xù)安全隱患，粉料混合時的溫度也需要注意，防止纖維化時間提前，讓粘合劑分布的更加均勻。在纖維化環(huán)節(jié)，需要注意不同材料的纖維化時間不同，進(jìn)而達(dá)到工藝改進(jìn)，另外纖維化過程阻力大，程度不均勻等也需要注意。輥壓環(huán)節(jié)則更是對設(shè)備的力度、精度、均勻度提出更高要求，這點在正極上尤為明顯，正極粉體材料易碎，需要更大壓力來壓緊。使用該制作方法的企業(yè)主要分布于美國、中國、德國，比如美國Maxwell/Bosch，中國海博瑞恩電子，德國TU Dresden等。

靜電噴涂法則是使用高壓氣體，將粉體、導(dǎo)電劑、粘合劑顆粒噴灑至箔集體上，讓噴灑物質(zhì)在靜電的作用下帶負(fù)電吸附到箔體，隨后對其進(jìn)行熱壓，粘接劑融化后會粘連其他粉末并被擠壓成自支撐膜。使用該制作方法的企業(yè)主要分布于日本、韓國，比如豐田、LG、日立、瑞翁等。

干法電極技術(shù)優(yōu)劣勢分析

傳統(tǒng)濕法工藝是將正負(fù)極粉末狀材料與溶劑混合制成漿料，涂于箔材中再烘烤，最終變成可以使用的極片。干法工藝不用溶劑，而是采用特殊的粘結(jié)劑注入粉末中壓實于箔材上，取消烘干步驟。

干法技術(shù)相比于傳統(tǒng)濕法技術(shù)，在材料、工藝、裝備上有較大變化，盡管可節(jié)省成本，但各個環(huán)節(jié)的難度會加大，缺少水分的材料對金屬材質(zhì)的設(shè)備也會形成磨損，尤其是在組裝硫化物電解質(zhì)時，干法工藝還會對設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，所產(chǎn)出的金屬碎屑可能會危害電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)，影響電芯性能。 

粘合劑原纖化在工序第一步混合粉體材料的時候，干法電極工藝也很難讓粉體完全均勻，不均勻的話成型極片無法使用，照樣會影響良率。如果干法電極涂層不均勻，可能會在電極中形成所謂的“hot spots”，導(dǎo)致電池電性能衰減、潛在短路甚至災(zāi)難性的電池事故。 

輥壓環(huán)節(jié)也有相應(yīng)難關(guān)需要克服，傳統(tǒng)濕法電極工藝是軋輥將干燥后的極片壓實，但干法電極只能將石墨材料壓實，金屬鋰負(fù)極材料以及高鎳三元正極材料很難壓實成光滑的界面。正因為金屬很難壓實，所以設(shè)備才會損傷，可是設(shè)備損傷后的修復(fù)時間至少要一個月以上，還是會耽誤良率和成本。 

馬斯克也披露過在研究干法電極工藝時遇到的困難：“干法電極工藝中正極材料環(huán)節(jié)較為復(fù)雜，當(dāng)正極粉體被壓制一定厚度時，壓力超負(fù)荷就會導(dǎo)致材料變形，電極膜和集流體需要分開收放卷再集合，如何保障粉體的活性物質(zhì)不被破壞，內(nèi)部阻抗變大問題等也相當(dāng)棘手。”

干法電極靜電噴涂法也有顯著的優(yōu)點和缺點，同粘合劑原纖化一樣，靜電噴涂法較為環(huán)保，縮短了熱固化時間，電極選擇范圍廣，電極厚度和均勻性控制較好，但在后續(xù)的可加工性、粘連穩(wěn)固性、電極柔韌和耐久上表現(xiàn)不佳。

干法電極設(shè)備

干法電極主流的自支撐膜制造設(shè)備分為氣流粉碎機、螺桿擠出機以及開煉機。 

氣流粉碎機：壓縮空氣通過噴嘴高速射入粉碎腔后，活性物質(zhì)及粘接劑混合物通過進(jìn)料口到達(dá)粉碎腔。混合物在高壓氣流的作用下相互碰撞粉碎實現(xiàn)原纖化，最后，混合物隨氣流上升至分級腔在輥壓設(shè)備作用下形成自支撐膜。氣流粉碎機的工作效率最高。

螺桿擠出機：混料自料口進(jìn)入螺桿充滿螺槽后，會在旋轉(zhuǎn)的螺桿作用下在料筒內(nèi)壁和螺桿表面不斷被壓實、攪拌以及混合。在壓縮段結(jié)束處，螺桿會將混合均勻的物料按要求擠出機頭，在機頭中混合物會被塑成電極膜并送離擠出機，螺桿擠出機的良率最高。

開煉機：兩個相對回轉(zhuǎn)的輥筒對物料產(chǎn)生擠壓后，由于兩個輥筒的速比不同，可以產(chǎn)生對混料產(chǎn)生剪切力，速比越大剪切力越強。在輥筒的高剪切力下，混合物內(nèi)部的分子鏈會被打斷，實現(xiàn)均勻的混合，多次往復(fù)后在粘接劑原纖化的作用下即生成電極膜。

干法電極工藝較濕法對輥壓設(shè)備的工作壓力、輥壓精度以及均勻度提出更高要求。頭部輥壓設(shè)備廠商或率先受益于干法電極對于新型輥壓機的迭代需求。設(shè)備大型化集成化是未來發(fā)展趨勢。將加料、混料、纖維化、制膜、輥壓、分切、收卷等功能集成在一起，降低流轉(zhuǎn)時間，提高效率及一致性等，設(shè)備價值量更高。

國內(nèi)干法電極設(shè)備企業(yè)主要有琥崧科技集團股份有限公司、邢臺納科諾爾精軋科技股份有限公司、清研納科智能裝備科技（深圳）有限公司、上海聯(lián)凈自動化科技有限公司、江蘇嘉拓新能源智能裝備股份有限公司、三一技術(shù)裝備有限公司、廣東利元亨智能裝備股份有限公司、蘇州東福來機電科技有限公司、東莞市瑯菱機械有限公司、無錫先導(dǎo)智能裝備股份有限公司、深圳市信宇人科技股份有限公司、深圳市曼恩斯特科技股份有限公司、合肥科晶材料技術(shù)有限公司、深圳市尚水智能股份有限公司、步納（上海）機械設(shè)備有限公司等。

參考來源：

張永柱.固態(tài)電池干式涂布工藝技術(shù)設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化進(jìn)程研究

粉體網(wǎng)、鋰電聯(lián)盟會長、網(wǎng)絡(luò)公開信息等

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