中國粉體網訊  2020年，4680全極耳大圓柱的出現，將干法電極技術帶入大眾的視野。作為4680大圓柱電池核心潛力技術之一，干法電極與全極耳、高鎳高硅和CTC集成技術并列為46系列四大革新技術。干法電極在降低電池成本，提升電池性能上有著濕法工藝無可比擬的優(yōu)勢，被認為是半固態(tài)、全固態(tài)和46系列大圓柱電池的理想工藝。

干法電極技術是指通過物理或化學方法將粉末狀的活性材料、導電劑和少量或無粘結劑混合并成型為自支撐或非自支撐的薄膜，作為鋰離子電池的正極、負極或固態(tài)電解質。

圖片來源：清研電子

1、干法電極技術的優(yōu)點

a. 降低成本：干法電極技術節(jié)省了溶劑、溶劑蒸發(fā)、回收和干燥設備的成本，也減少了對環(huán)境的影響。據估計，采用干法工藝生產100萬個鋰離子電池（20.5 Ah，3.7 V）的產線，每年可節(jié)省約 56%（約為 8.5 億人民幣）的生產成本。

b. 提升電極均勻性：干法電極技術在混合過程中不會使用溶劑，因此可以實現電極材料各組分的均勻分布，避免因溶劑蒸發(fā)引起的電極分層。

c. 增大電極活性物質載量：干法電極技術可以輕松控制電極厚度和厚電極的均勻性，不會產生裂紋，在制備厚電極方面具有獨特的優(yōu)勢，適于超高載量電極的制備。

d. 適配硫化物固態(tài)電解質：干法電極技術避免使用有機/極性溶劑，在制備過程中只需極少量的粘合劑，特別適用于制備硫化物全固態(tài)電池。由于不會使用與硫化物固態(tài)電解質發(fā)生反應的溶劑，因此干法工藝有助于更好地制備硫化物固態(tài)電解質膜并保持其高離子電導率。

2.干法電極的制備技術

目前主要采用的是粉末擠壓成型法和靜電噴涂法，均實現了電極材料間的固相包覆及電極片的固態(tài)制備。

（1）粉末擠壓成型法

粉末擠壓成型法的技術核心在于粉末混合過程中實現黏結劑的纖維化，以形成自支撐的干態(tài)電極膜。

國內已有多項相關專利報道，對擠壓成型干法電極的制備方法進行了研究，涉及的內容主要有：干法電極材料的制備，干法電極用高黏性、可導電黏結劑的制備，用電磁沖擊波提升混合粉末的均勻性，引入造孔劑在自支撐電極膜內部造孔，引入有機聚合物助劑來混合黏結劑或活性物質粉料，將干態(tài)粉料直接在集流體上輥壓成型，以及在自支撐電極膜和集流體中間增加導電膠涂層等。

但目前的研究均采用黏結劑聚四氟乙烯（PTFE），其添加量大（質量分數超過5%），需開發(fā)可替代的黏結劑，降低用量，以提升電極的比能量。

（2）靜電噴涂法

靜電噴涂法是通過使用靜電噴涂設備將完全干燥的電極材料、粘結劑和導電劑等帶電顆粒均勻吸附在集流體上，并通過后續(xù)輥壓等工藝加工制備干法電極。

靜電噴涂法電極技術，可沿用濕法電極的材料體系配方，但該技術尚處于實驗室研究階段，要解決實現批量化生產、產品的一致性控制、噴涂過程中的粉塵控制等問題，與產業(yè)化應用仍有距離。

3.干法電極技術制備固態(tài)電解質

固態(tài)電解質是全固態(tài)電池的重要組成部分，其制備方法有很多種，其中干法制備方法備受關注。干法電極技術可以制造高能量密度和更優(yōu)異循環(huán)性能的硫化物全固態(tài)電池。

然而，硫化物固態(tài)電解質的化學/電化學穩(wěn)定性較差，因此需要專注于提高硫化物固態(tài)電解質的空氣穩(wěn)定性和界面穩(wěn)定性。為了提高硫化物全固態(tài)電池能量密度，降低電極層固態(tài)電解質含量和電解質層厚度是必不可少的。因此，用電解質包覆活性材料是構建鋰離子導電網絡、降低電極層電解質含量的一種有效方法。粉末靜電噴涂技術、粘結劑原纖維化、粉末壓片和氣相沉積等干法制備電解質技術非常適合降低電解質層厚度。

（1）粉末靜電噴涂技術

粉末靜電噴涂技術是利用靜電力實現粉末材料直接沉積的方法，但這種方法需要使用較多的粘合劑（>5%），粘合劑熔化后會粘附在電極顆粒表面形成絕緣層，阻礙離子和電子的傳導。

為了解決這一問題，許多科研人員和企業(yè)開始了無粘合劑制備全固態(tài)電池電極和電解質膜的研究。其中，日本豐田汽車公司（Toyota Motor Corporation）和日立造船株式會社 (Hitachi Zosen Corporation）利用硫化物固態(tài)電解質優(yōu)異的機械性能，成功開發(fā)出了無粘合劑制備全固態(tài)電池電極和電解質膜的方法。這種膜制備方法可以制備薄的電解質層（<50 µm），從而獲得兼具高容量、優(yōu)異倍率性能和相對高負載的全固態(tài)電池。該方法的關鍵是制備厚度均勻的電極和電解質層。

（2）粘結劑原纖維化法

粘結劑原纖維化法是干法制備固態(tài)電解質膜的常用方法之一，通常需要以下步驟：

a. 根據一定比例將電解質粉末（鋰鹽等）、添加劑與粘結劑混合。

b. 對混合材料進行機械作用，使粘結劑在高速剪切作用下形成纖維狀結構，實現纖維化。

c. 混合物還需經過高溫熱處理以維持最優(yōu)良的纖維化狀態(tài)，最后經過密煉后輥壓成膜并根據需要進行裁切等后處理，制備成所需的固態(tài)電解質膜。

通過機械作用實現粘結劑的纖維化和網絡交聯制備固態(tài)電解質的干法膜制技術，被認為是實現高性能全固態(tài)電池的關鍵工藝途徑之一。目前，通過粘合劑原纖維化制備固態(tài)電解質膜尚處于起步階段。在相關報道中，粘合劑原纖維化步驟是手動完成的，大規(guī)模生產方法和設備的發(fā)展還需要不斷的努力。

（3）粉末壓片

粉末壓片是一種常見的干法制備技術，其主要原理是將電解質材料粉末加入成型模具中，并在高壓下進行壓制以實現材料致密化。

近年來，研究人員對粉末壓片技術進行了改進，例如采用高溫、高壓等工藝參數，以提高制備效率和降低制備成本。

（4）氣相沉積法

氣相沉積法是一種在制備固態(tài)電解質材料過程中經常使用的無溶劑技術，具有高效、均一、無污染等優(yōu)點，因此在固態(tài)電解質材料的制備中得到了廣泛應用。

采用物理氣相沉積（PVD）或化學氣相沉積（CVD）方法制備的全固態(tài)電池，其電池整體厚度通常僅數十微米量級，這使其極易集成在微機電系統(tǒng)（MEMS）中，可為各類新型小型智能電子設備提供微型化電源。

4.干法電極產業(yè)化

雖然2020年特斯拉就已經公布了干法電極技術在4680電池中的應用，但是干法正極工藝仍然是阻礙應用干法電極4680電池量產的重要掣肘，目前特斯拉量產的4680電池仍采用濕法電極工藝。而采用干法電極工藝的4680實驗室樣件僅有負極采用干法，正極仍然采用濕法電極工藝。

據了解，為助力干法電極產業(yè)化瓶頸突破，國內鋰電前端設備企業(yè)清研納科、嘉拓智能等正在積極配合頭部鋰電池客戶，進行干法電極制造相關設備的技術開發(fā)。

2023年，清研納科在CIBF推出國內首臺套“粉體成膜復合一體化裝備”，實現電極膜成型以及電極膜與集流體復合的一體化，將干法電極技術從“理想照進現實”，率先開啟干法電極產業(yè)化進程。

在剛結束的第十六屆CIBF2024，清研納科再度推出了重磅產品“粉體成膜雙面復合一體化裝備”，該智能裝備將助推干法電極進入小規(guī)模化量產階段，生產速度將達到50m/min，單臺設備的年產能為0.5Gwh。

參考來源：

張冬冬等.干法電極制備技術的研究現狀

李慶盈等.電極和相關材料的干法制備技術

深圳清研電子科技有限公司、粉體網等

（中國粉體網編輯整理/蘇簡）

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