電池極片制造工藝研究面臨的挑戰(zhàn)有哪些呢

漿料制備工藝的挑戰(zhàn)

（1）水性正極漿料。NMP是正極PVDF粘合劑的唯一溶劑。NMP具有毒性和致癌性，蒸發(fā)消耗的能量比水多，并且在工業(yè)應(yīng)用中需要溶劑回收系統(tǒng)。因此，急需開發(fā)水系正極漿料。

（2）連續(xù)攪拌。涂布是一個(gè)連續(xù)的過程，但傳統(tǒng)的攪拌工藝是一個(gè)間歇過程。連續(xù)攪拌工藝可以減少工藝時(shí)間和能耗，并改善工藝控制，從而得到更一致的漿料。

（3）增加固含量。負(fù)極漿料的固含量通常為～50%，正極NMP漿料一般為～70%。如果固含量可以增加，同時(shí)保持涂布工藝加工性能，材料和能耗成本都會降低。最終極限是無溶劑涂布工藝。

（4）更厚的電極。厚電極可減少電池中金屬箔和隔膜的量，并提高能量密度。但是由于電極中電子和離子傳導(dǎo)途徑更長，厚電極會降低電池的倍率性能。此外，工業(yè)上也很難生產(chǎn)出具有良好機(jī)械性能的厚涂層。

（5）同步雙面涂布。涂布干燥烘箱通常是水平的，濕涂層一般在金屬箔的上部。目前的雙面涂布是通過先在一側(cè)涂布干燥后再重對另一面進(jìn)行涂布，這增加了額外的制造時(shí)間，而且A面涂層要通過烘箱兩次。同時(shí)雙面涂布需要一個(gè)極片漂浮的干燥烘箱。

（6）孔隙率梯度電極。雙層電極模型計(jì)算出集流體附近的最佳孔隙率為10%，涂層表面的最佳孔隙率為50%，而不是均勻的30%。在生產(chǎn)中，這需要連續(xù)的雙層涂布或模板技術(shù)。

電極漿料的流變性挑戰(zhàn)

制造過程中使用流變學(xué)作為預(yù)測工具，具有三個(gè)需要解決的主要挑戰(zhàn)：

（1）實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和工業(yè)過程之間的差異可能很大，目前尚不清楚這些放大過程變化與關(guān)鍵特性（如流變學(xué)）之間的關(guān)系，研究中有必要使用工業(yè)相關(guān)配方、重量百分比和設(shè)備（混合器和涂布機(jī)）還對電極漿料的流變學(xué)進(jìn)行表征。流變學(xué)可以在混合和涂覆過程中檢測漿料批次內(nèi)細(xì)微但重要的變化。例如，混合不良可能導(dǎo)致漿料中游離炭黑分布不均勻，導(dǎo)致整個(gè)批次的粘度和粘彈性發(fā)生變化。

（2）揭示電極漿料中各組分之間的相互作用，它們與配方和混合工藝的關(guān)系是什么？它們是如何影響流動(dòng)特性的？

（3）定量了解制造和過程控制中的最佳流變性。流體力學(xué)建模是了解涂布流動(dòng)和潛在問題的手段，比如不穩(wěn)定流動(dòng)、漿料在死區(qū)堆積以及針孔、水泡、開裂和分層等缺陷。



電極涂布面臨的挑戰(zhàn)

（1）當(dāng)前涂布技術(shù)的許多局限性與使用液體漿料有關(guān)。通常在這些漿料中，30%-60%的質(zhì)量是溶劑，需要從電極上去除，并在干燥電極層中留下過多的孔隙率，因此需要壓延才能致密。此外，較高的水表面張力導(dǎo)致干燥過程中毛細(xì)管力較高，集流體潤濕較差，導(dǎo)致制涂層開裂和分層，特別是對于厚（>100 μm）電極。干法或低溶劑電極工藝可以避免這些問題，但也有其自身的挑戰(zhàn)：確保干粉的充分混合，干粉混合物制備成規(guī)定寬度和厚度的膜，確保電極膜能夠粘附在集流體上。

（2）濕法工藝電極具有空間均勻分布的組分和孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)前電極的最佳組成、厚度和孔隙率都是在漿料涂布工藝的約束下通過反復(fù)試驗(yàn)得出的。放寬這些限制并提供更大的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)更高性能電極的設(shè)計(jì)。

（3）電極結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化與控制。電極厚度是影響鋰離子電池能量密度的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，較厚的漿料涂布電極由于傳輸路徑較長而導(dǎo)致鋰離子傳輸緩慢。厚電極也容易出現(xiàn)開裂和分層。因此，要增加電極厚度，需要克服許多挑戰(zhàn)。

孔隙率是另一個(gè)對鋰離子電池性能會產(chǎn)生積極和消極兩方賣弄影響的關(guān)鍵參數(shù)，目前電極孔隙率主要通過壓延工藝控制，更厚電極需要額外的工藝來控制必要的孔隙率，以確保良好的性能。迂曲度，即實(shí)際鋰離子傳輸路徑長度與起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的直線距離之比，是描述電極內(nèi)鋰離子傳輸難度的結(jié)構(gòu)參數(shù)。對于更高質(zhì)量負(fù)載的電極，面臨的挑戰(zhàn)是需要開發(fā)新的電極結(jié)構(gòu)策略，通過控制電極孔的形狀、尺寸和分布來實(shí)現(xiàn)低電極迂曲度，而不會犧牲其他電極性能。

（4）干法電極工藝的主要挑戰(zhàn)是將非活性材料的含量降低到與濕法涂布相當(dāng)?shù)乃?，同時(shí)部分工藝中涉及脫脂步驟和高溫?zé)Y(jié)，使得該工藝成本更高，并且可能難以擴(kuò)大規(guī)模。

電極干燥過程的挑戰(zhàn)

（1）創(chuàng)建有效的干燥模型，將干燥條件的動(dòng)態(tài)測量值與電極的最終特性相關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)更可控的干燥過程。比如連續(xù)水平的計(jì)算流體力學(xué)模型，空氣-多孔材料界面處的對流傳熱和傳質(zhì)模型，雙組分膠體懸浮液干燥的理論模型，包括布朗擴(kuò)散、沉降和蒸發(fā)在內(nèi)的顆粒涂層的一維模型等。

（2）濕電極膜的干燥動(dòng)力學(xué)特別復(fù)雜，為了更好地控制電極結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的電子和離子傳輸特性，我們需要了解電極結(jié)構(gòu)形成的過程。干燥是形成電極結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，因此有必要開發(fā)高級計(jì)量工具來了解干燥過程中發(fā)生的物理過程，測量和分析溶劑蒸發(fā)對缺陷的影響，例如裂紋形成。粘合劑分布可以通過能量譜EDX、拉曼光譜、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和多斑擴(kuò)散波光譜（MSDWS）來表征。

溶劑蒸發(fā)可以通過熱重分析和石英晶體微量天平（QCM）進(jìn)行測量。溶劑蒸發(fā)過程中的表面溫度和干燥應(yīng)力可以通過紅外（IR）熱像儀測量。活性材料可以通過SEM，X射線CT和基于熒光的成像/顯微鏡進(jìn)行表征。

電極壓延工藝面臨的挑戰(zhàn)

在壓延過程中，活性材料（AM）顆粒結(jié)構(gòu)和碳膠相（CBD）被壓縮和重排，顆粒間孔隙率降低。電極顆粒孔結(jié)構(gòu)的壓實(shí)反過來會影響電子離子的傳輸性能和電池性能。

（1）在制造過程中，電極的機(jī)械性能受材料成分、工藝參數(shù)（例如輥?zhàn)訙囟取⑺俣龋┖碗姌O厚度的影響。由于這些特性和參數(shù)對電極壓延變形的影響非常復(fù)雜，因此需要表征電極的機(jī)械性能，比如硬度，彈性變形，電極和集流體之間的粘合性能。為了獲得進(jìn)一步對機(jī)理的理解，需要大量參數(shù)和材料屬性之間的系統(tǒng)研究，比如數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究獲得壓延對多孔碳膠相的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。

（2）在高壓延水平下捕獲顆粒塑性變形和斷裂面臨挑戰(zhàn)，仍然需要對粒子間作用力進(jìn)行更深入的理解，以建立非線性本構(gòu)行為，高保真地來研究電極內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)演變。





審核編輯：劉清