电池行业的变革：先进电极加工技术的重大影响

来自 实验室仪器网

对电池电极加工技术现状的全面审查使研究人员、电池制造商和其他行业利益相关者了解加速商业化需要解决的关键技术障碍。

大量市场分析表明，未来五年，从个人电子设备到电网规模储能，对锂离子电池的需求预计将急剧增长。为了满足这一需求，电池制造需要更快、更便宜、更可靠、更低能耗和更少的浪费。锂离子电池制造的一个关键部分是电极的加工和制造，还有很大的改进空间。

为了促进这一领域的进步，阿贡国家实验室的研究人员对有关先进电极加工技术的科学文献进行了全面审查。阿贡团队橡树岭国家实验室的研究人员合作开展了这项工作。

该综述概述了四类技术的最新发展、优缺点。它还深入研究了他们的工程、运营和仪器仪表。最后，它提供了对未来技术趋势的视角。

该审查并不认可任何特定技术，而是向电池行业和研究界通报需要解决的关键技术障碍，以加速商业化。这些先进技术在降低制造成本方面显示出巨大的前景，这有助于降低用于移动应用的电网储能和电池的价格。

传统电极加工的局限性

传统的湿电极加工涉及将导电材料、电化学活性材料和粘合剂混合在溶剂中形成浆料。然后将浆料浇注到金属箔基材上并在烤箱中热干燥。干燥过程去除溶剂并形成固体电极。最后，压延机使用滚筒将电极压缩成最终形状。最终，电极组装在电池中。

湿法加工的一个主要缺点是它依赖一种称为 N-甲基吡咯烷酮 （NMP） 的有毒有机溶剂。去除溶剂的干燥过程非常耗能，增加了大量成本。为了尽量减少对环境的影响，需要回收溶剂，这需要额外的设备和运营成本。消除 NMP 的使用可以显着降低能源和材料成本以及制造设备的占地面积。

审查涵盖了四类先进加工技术：

先进的湿法加工使用与传统湿法加工类似的设备。通过使用水代替NMP作为溶剂，该方法可以降低25%的能源成本。研究表明，它可以生产性能良好的均匀电极。然而，它仍然需要基于烤箱的能源密集型干燥。此外，某些电池材料可能需要更改以提高其与水的相容性。
通过辐射固化，紫外线或电子束被施加到由小前体分子制成的浆料上。辐射导致分子连接在一起形成聚合物（具有重复化学单元的大分子）。

这种方法可以显着减少并有可能消除溶剂和烘箱的使用。因此，它比传统的湿法加工快得多，可以将能源成本降低多达 65%，并且需要的工厂占地面积减少 85%。然而，需要更多的研究来评估聚合物的稳定性以及与其他电池组件的兼容性。

紫外线方法只能制造薄电极。较厚的电极需要单独固化几层。这可能会对电池性能产生不利影响。电子束方法将需要更昂贵的设备和开发新的职业安全程序。

在干法加工中，混合的粉末通过滚筒形成固体电极膜。通过消除对溶剂和能源密集型干燥的需求，与传统湿法加工相比，该方法可以降低 11% 的制造成本和 46% 的能源使用。一个关键的技术挑战是粘合剂在碳基负极中的稳定性有限和电子电导率低。

这些挑战可以通过研究具有不同粒径、形状和结构的材料来解决，另一个重要的研究需求是设备改造，以改善干粉在压缩前的混合方式。

3D打印使用直接墨水书写和材料喷射等技术来制造电极。该方法的主要优点是它能够以最少的浪费生产定制的、精确的电极形状和设计。这可能使其成为用于利基应用的高价值电池的不错选择。3D打印的缺点是制造速度慢和打印设备昂贵。

所有这些技术都显示出商业化的前景。不同的公司可能对这些先进加工技术有不同的偏好，具体取决于他们所关注的特定电池应用，干法加工剩余的技术壁垒最少，似乎最接近大规模商业化。事实上，几年来，多家领先公司一直在研究将干法加工用于电池单元。

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