随着技术的发展,锂离子电池早已经走进了千家万户,从每个人日常使用的手机、充电宝,到新能源汽车,都开始使用锂离子电池作为能量来源。

一、电极是什么?

日常用电池时总说要分清楚正负极,可在锂电行业里还叫“阴阳极”,是不是有点懵?通俗来说,“阳极”(anode)是发生氧化反应、失去电子的;“阴极”(cathode)是发生还原反应、得到电子的。如果主要关注电池内部的化学反应,用阴阳极来表示比较容易理解,如果是想要看电池外部电势的高低,那么正负极则用的相对较多。

电极也分正负极(阴阳极),它的组成通常包括活性材料(比如正极的钴酸锂、负极的石墨,负责脱嵌锂)、导电剂(像导电炭黑,帮着传导电子),还得有黏结剂(比如PVDF、CMC,把材料粘一起)。最后把这些东西涂在金属箔上,正极涂铝箔,负极涂铜箔(集流体),就组成咱看到的电极极片。

二、电极的重要性

锂离子电池通过锂离子在正极和负极之间的嵌入和脱嵌实现电能与化学能的转换,电极作为锂电的核心组成部分,其重要性体现在以下几个方面:

  • 决定电池性能:电极的材料、结构和制备工艺直接影响电池的容量、能量密度、充放电效率、循环寿命等关键性能指标。例如,高比表面积的电极材料可提高锂离子的嵌入/脱出效率,从而提升电池的充放电速度和容量。

  • 影响电池安全性:电极的稳定性对电池安全性至关重要。若电极材料在充放电过程中发生结构崩塌、活性物质脱落等问题,可能导致内部短路或热失控,引发安全风险。

  • 决定电池成本:电极材料的选择和制备工艺的成本直接影响电池的整体成本。优化电极制备工艺、降低材料消耗和能源消耗,有助于降低电池生产成本。

锂电电极的制作工艺主要有干法和湿法两种,区别在于制浆前期浆料固含量的高低,湿法工艺前期的浆料含固量较低,干法工艺前期的含固量较高。具体如下:

二、干法电极制备流程

打个比方来说,干法电极制备更像撒调料的过程。它把活性物质、黏结剂、导电剂的粉末混一起,直接喷到金属箔上,再辊压一下就完成了。

干法步骤主要分为三步:

  • 粉末混合:一般干法电极都是将活性物质颗粒、导电剂和粘结剂PTFE(聚四氟乙烯)混合,在剪切力作用下PTFE会纤维化,能够充当粘结剂,形成三维网络将活性物质和导电剂黏合到一起。

  • 沉积工艺:主流使用静电喷涂沉积工艺,混合后的干粉在有了静电之后,不容易脱粉掉料,更容易喷涂到金属箔材上。

负极静电喷涂沉积工艺
  • 辊压成型:干粉沉积到箔材之后,立刻输送到热辊上,该热辊能够加热活化粘结剂,一般还是使用PTFE,经过辊压后,干粉颗粒和金属箔材之间有了足够的黏合强度,形成连续的自支撑干涂层电极膜,方便后续工序使用。

干法的优点:

  • 不使用任何溶剂,节省溶剂费用、混合溶剂和蒸发溶剂设备费用、烘干设备费用,也节省了几十米设备所需的厂房面积;

  • 没了溶剂挥发,对环境特别友好,是一种“绿色工艺”;

  • 压实密度提升、能量密度提升,循环性能和阻抗更优。

但它也有短板:干法工艺对粉末混合均匀度、防掉粉要求极高,量产特别难,虽然现在已经有一些厂家能够做到,但仍然是少数,所以现在还是非主流工艺

三、湿法电极制备过程

湿法电极需要用溶剂把活性材料、导电剂、黏结剂调成浆料,再涂到金属箔材上烘干,是现在商业电池的主流工艺。

湿法的步骤分三步:

  • 合浆:把干粉材料均匀分散到溶剂里,调成一定固含和粘度的浆料;
  • 涂布:把浆料均匀涂敷到金属箔上, 随后烘干;
  • 辊压:把烘干的极片压实压薄,提高电极的体积能量密度并保证活性物质和导电剂和金属箔材黏合牢固。

湿法电极制备工艺流程

湿法工艺由于能更容易的使粉末材料均匀分布,工艺较为简单,因此逐渐成为主流;但它也有缺点,一般情况下正极需要NMP这种有毒溶剂,购买混合和烘干设备,厂房面积需要更大,这导致成本比干法高不少。

四、干法VS湿法对比表

对比项
干法电极
湿法电极
环保程度
无溶剂,更环保
有溶剂,得处理挥发问题
成本
省溶剂、设备、厂房,成本低
溶剂、设备、厂房都花钱,成本高
量产难度
对混合、防掉粉要求高,量产难
工艺成熟,量产容易
材料兼容性
适合部分材料
适配绝大多数电极材料

五、总结

小小的电极制作,里面也有很大的学问。干法和湿法的博弈,其实也是锂电池“性价比”和“性能”的博弈。随着工艺发展,当干法突破了量产难题,咱的电池就能更便宜、更环保;而湿法要是能把成本降下来,电池性能还能再上一层楼。

来源:
揭秘锂电工艺:干法和湿法生产流程大对比

 

 
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作者 808, ab