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干法電極是一種新型的電極制備技術(shù)。與濕法工藝相比，該技術(shù)不使用液態(tài)溶劑來分散活性材料和導(dǎo)電添加劑，而是直接將活性材料、導(dǎo)電劑和粘合劑的固態(tài)粉末混合在一起。在干法工藝中，首先是將活性材料、導(dǎo)電劑以及粘結(jié)劑等成分，通過特定的干法混合設(shè)備進(jìn)行充分混合，使其達(dá)到均勻的分散狀態(tài)。接著，利用專用的干法壓延或擠出設(shè)備，將混合后的材料直接壓制或擠出成膜，形成電極極片。 與濕法工藝相比，干法電極工藝具備低成本、高效率、環(huán)保和能量密度提升的核心優(yōu)勢(shì)。干法電極工藝的優(yōu)勢(shì)在于減少了溶劑的使用及相應(yīng)的處理環(huán)節(jié)，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效率，在對(duì)環(huán)境影響上，也更為環(huán)保，減少了二氧化碳和有毒溶劑的排放。另外，干法電極工藝能夠提高電極的性能，降低電極的孔隙率并有效增加電極的厚度，從而提高電池的能量密度，增加電極的強(qiáng)度，提高電極的倍率性能。 對(duì)于固態(tài)電池制備而言，干法電極在電解質(zhì)兼容性和電池性能提升方面具備優(yōu)勢(shì)。濕法工藝的關(guān)鍵是粘結(jié)劑和溶劑的選擇。由于大多數(shù)硫化物電解質(zhì)不能用極性溶劑處理，若采用濕法工藝制備硫化物電解質(zhì)，則需要選擇非極性溶劑，如甲苯、二甲苯等，存在選擇的局限性。干法電極工藝不需要使用有機(jī)溶劑，這減少了與固態(tài)電解質(zhì)發(fā)生副反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，與電解質(zhì)的兼容性更高。另外，濕法工藝的粘結(jié)劑使用以及溶劑的殘留會(huì)增加固體電解質(zhì)膜的阻抗，降低固態(tài)電池的離子電導(dǎo)率，進(jìn)而影響電池的性能。而干法工藝通過高壓壓實(shí)，使電極材料與固態(tài)電解質(zhì)之間形成緊密接觸，能夠降低界面阻抗，提高離子傳輸效率，與固態(tài)電池的制造工藝高度契合。 在制備工序上，干法電極制備主要分為干混、干涂、壓延、分切四個(gè)步驟，其中壓延、分切步驟與濕法電極制備方法基本一致，干混、干涂步驟設(shè)備有區(qū)別。干混步驟方面，干法電極干混可以通過雙刀片研磨、球磨和其他機(jī)械干混方法實(shí)現(xiàn)，主要設(shè)備涉及雙刀片研磨機(jī)、球磨機(jī)等。干涂步驟方面，根據(jù)工藝類別不同，干法電極所需設(shè)備不同，主要涉及雙螺桿擠出機(jī)、噴涂機(jī)、纖維化設(shè)備等。 干混步驟：干法電極工藝中，正極材料及其包覆層、固態(tài)電解質(zhì)和導(dǎo)電劑等多種粉體的混合效果，對(duì)后續(xù)的電池加工及性能影響較大。干法電極干混主要方法是采用機(jī)械物理方法將活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等混合均勻，并在干混過程中避免結(jié)塊，當(dāng)前主流的干混方法包括雙刀片研磨法和球磨法。 (一) 雙刀片研磨法：通過高速旋轉(zhuǎn)的雙刀片產(chǎn)生剪切力，使粉體顆粒在機(jī)械作用下均勻分散，避免團(tuán)聚。 (二) 球磨法：干粉噴涂沉積技術(shù)是利用高壓氣體預(yù)混合活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑PTFE，然后在靜電噴槍的作用下使粉末帶電并噴涂到接地的集流體上，之后通過熱軋將粉末粘合并固定在集流體上，得到最終的電極。 干涂步驟：當(dāng)前干極電極干涂步驟方法主要包括聚合物纖化法、粉噴涂沉積法、氣相沉積法、熱熔擠壓法、直壓制成型法、3D打印法6種。 (一) 聚合物纖維化法：聚合物纖維化系利用可纖維化的PTFE，在高剪切力的作用下進(jìn)行纖維化以生成PTFE纖維。由此獲得的PTFE纖維可將活性材料顆粒連接在一起，但是不會(huì)覆蓋活性材料，再經(jīng)熱壓后可以形成自支撐的電極薄膜。最后通過熱軋將電極薄膜壓在涂碳集流體上，得到最終的 電極。 (二) 干粉噴涂沉積法：干粉噴涂沉積技術(shù)是利用高壓氣體預(yù)混合活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑PTFE，然后在靜電噴槍的作用下使粉末帶電并噴涂到接地的集流體上，之后通過熱軋將粉末粘合并固定在集流體上，得到最終的電極。 (三) 氣相沉積法：氣相沉積是指通過物理或者化學(xué)方法使原料蒸發(fā)汽化，然后將汽化的原料沉積到基底上制備電極的技術(shù)。 (四) 熱熔擠壓法：熱熔擠壓技術(shù)就是將原材料混合并加熱到其熔融狀態(tài)，然后熔融混合物通過模具被擠出以生成特定的形式，比如薄膜、片材或電極片。 (五) 直接壓制法：直接壓制技術(shù)就是將材料粉末充分混合后直接進(jìn)行壓制以形成電極片，無需額外的操作。直接壓制分為冷壓和熱壓，冷壓工藝簡單能源消耗小，熱壓可以使電極更加致密。 (六) 3D打印法：3D打印技術(shù)是近些年來興起的一項(xiàng)新技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)就是將配置好的油墨按照預(yù)先的程序打印到基底上，然后通過干燥技術(shù)使油墨固定，即生成所需電極。 在企業(yè)布局上，干法工藝的技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要圍繞纖維化法、靜電噴涂法兩條路線展開。在干法電極制備主要方法專利數(shù)量與占比上，纖維化法、靜電噴涂法分別占64%、21%，合計(jì)占比達(dá)到85%。在核心企業(yè)中，特斯拉主要采用纖維化法，于2019年收購Maxwell公司，利用其干法電極技術(shù)推動(dòng)電池技術(shù)進(jìn)步。纖維化法工藝對(duì)設(shè)備的剪切力和溫控能力要求極高，核心設(shè)備包括氣流粉碎機(jī)、螺桿擠出機(jī)和強(qiáng)力混合機(jī)。另外，日本豐田、美國AMB所則主要發(fā)展靜電噴涂法。與纖維化法相比，靜電噴涂法在技術(shù)成熟度上較高，但在粉末厚度控制和均勻性方面存在局限性，其制備的電極膜在耐久性和柔韌性上不及纖維化法，核心設(shè)備主要為靜電噴涂系統(tǒng)，包括靜電噴槍、載流氣管和空壓機(jī)等。當(dāng)前干法工藝還不確定，主要挑戰(zhàn)在于混料均勻性、自支撐膜成型的穩(wěn)定性、連續(xù)制造的效率，以及與濕法電極的成本競爭力。 輥壓步驟：干法電極要求提高，輥壓是關(guān)鍵設(shè)備。在干法電極工藝中，壓延是決定電極膜密度、均勻性和機(jī)械強(qiáng)度的核心工序，對(duì)電極片性能有重要影響。干法電極工藝對(duì)輥壓設(shè)備的壓實(shí)壓力、精度和均勻度的要求更高。壓實(shí)壓力方面，由于干法電極缺乏液態(tài)溶劑的潤濕作用，顆粒間結(jié)合力較弱，需要更大的外部壓力來實(shí)現(xiàn)顆粒的緊密壓實(shí)，以提高電極膜的密度和強(qiáng)度。輥壓精度和均勻度方面，輥壓精度和膜厚均勻性對(duì)電極的成品率、能量密度和電池性能穩(wěn)定性至關(guān)重要。干法電極制備中，輥壓設(shè)備需配備更精密的傳感器和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輥筒間隙、壓力等參數(shù)的精確調(diào)整，將電極膜厚度均勻性誤差控制在極小范圍內(nèi)，進(jìn)而確保電極膜的成品率和電池的整體性能。
