鋰離子電池（LIB）已成為現(xiàn)代生活不可或缺的一部分，從手機、筆記本電腦到電動汽車，都離不開它的驅(qū)動。然而，您是否曾想過，這塊看似簡單的電池，其內(nèi)部核心——電極——的制造過程卻是一門極其復雜的科學？隨著全球?qū)δ苄枨蟮娜找嬖鲩L，如何制造出性能更高、成本更低、更安全的電池，成為了產(chǎn)業(yè)界和學術界共同關注的焦點。

作為專注于鋰電技術前沿的觀察者與傳播者，【美能鋰電】持續(xù)關注并分享此類基礎研究的重大突破。我們深信，每一次技術的革新都將推動整個行業(yè)向前邁進。

目前，工業(yè)界普遍采用濕法工藝來制造電極。這個過程可以簡單理解為：將電池的活性材料、導電劑和粘結劑等成分在溶劑中混合均勻，形成漿料，然后像“刷油漆”一樣涂覆在金屬箔集流體上，再經(jīng)過干燥、壓實（又稱壓光或輥壓）等工序，最終制成電極。

電極制造流程示意圖：漿料制備 -> 涂布 -> 干燥 -> 壓光 -> 電極分切 -> 電池組裝

盡管濕法工藝應用廣泛，但它也面臨著幾大難題：

溶劑回收成本高：特別是常用的NMP溶劑，不僅昂貴，還有毒，其回收所需能量甚至是蒸發(fā)它的45倍。

干燥過程易產(chǎn)生缺陷：溶劑蒸發(fā)會導致粘結劑遷移，即粘結劑向電極表面移動，這會增加電池內(nèi)部電阻，影響性能。

漿料穩(wěn)定性難控制：漿料中的顆粒容易發(fā)生團聚和沉降，導致涂層不均勻。

漿料：一切的基礎

Millennial Lithium

制造優(yōu)質(zhì)電極的第一步是制備出穩(wěn)定且易于加工的漿料?？蒲腥藛T通過流變學來研究漿料的流動行為，其中粘度是最關鍵的指標。但粘度并非一個固定值，必須在不同的剪切速率下考察。

低剪切粘度（LSV）：關系到漿料涂布后的穩(wěn)定性，高LSV有助于形成清晰的涂層邊緣，減少廢料。

高剪切粘度（HSV）：關系到涂布過程的難易，低HSV允許更快的涂布速度且不易產(chǎn)生缺陷。

正極漿料常用流變特性圖:(a) 粘度曲線 (b) 屈服應力 (c) 振幅掃描中的模量 (d) 頻率掃描中的模量

另一個關鍵特性是屈服應力，即讓漿料開始流動所需的最小力。適度的屈服應力有助于防止沉降。此外，粘彈性（材料同時表現(xiàn)出的粘性和彈性）也能反映漿料的內(nèi)部結構穩(wěn)定性。

然而，一個重要結論是：僅憑漿料的流變特性無法可靠地預測電池最終的電化學性能。因為接下來的干燥過程對電極的微觀結構有著巨大影響。

干燥：微妙而關鍵的步驟

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干燥是一個復雜的過程，涉及熱和質(zhì)的傳遞。研究發(fā)現(xiàn)，干燥并非勻速進行，主要分為兩個階段：

薄膜收縮（Film shrinkage）：表層溶劑快速蒸發(fā)。

孔隙排空：顆粒間包裹的溶劑被移除，這一步越來越困難，耗時很長。

濕漿料干燥過程的逐步示意圖

在這個過程中，高溫會加劇粘結劑和導電劑向電極表面的遷移，導致成分分布不均，從而損害電池性能。因此，研究人員正在探索多階段干燥曲線（如“高-低-高”干燥速率），以期在保證質(zhì)量的同時，將干燥時間縮短高達40%。

創(chuàng)新與突破

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為了克服濕法工藝的瓶頸，科學家們正在積極研發(fā)下一代電極制造技術，主要圍繞兩個方向：

1. 減溶劑/無溶劑化

水系加工：用水替代NMP，更安全、環(huán)保且成本更低，已在石墨負極上商用，正極應用也在攻關中。

電子束（EB）固化：使用低分子量聚合物，涂布后通過電子束交聯(lián)固化，可大幅減少甚至完全不用溶劑。

干法電極：如靜電噴涂沉積（ESD） 和干法卷對卷（DR2R） 技術，完全避免使用溶劑，直接從粉末制備電極，極具潛力。

PVDF制備的正極(a,b)與EB固化丙烯酸聚氨酯制備的正極(c,d)的微觀結構相似性SEM圖

2. 厚電極與結構設計

增加電極厚度可以提高電池的能量密度并降低成本，但離子傳輸路徑變長，會導致性能下降。解決問題的關鍵在于降低電極的曲折度——離子在電極孔隙中穿梭路徑的彎曲程度。

鋰離子電池電極的干法卷對卷制造技術示意圖

研究人員開發(fā)了多種方法來構建低曲折度電極結構：

共擠出：制造出具有筆直孔道的電極。

冷凍鑄造：利用冰晶模板形成有序孔隙，冰升華后留下直孔。

激光結構化：用激光在電極上燒蝕出精確的微通道，促進離子快速傳輸。

磁場定向：添加磁性材料，通過磁場引導顆粒排列，形成有序結構。

這些定制的電極結構有望打破傳統(tǒng)電極中孔隙率和曲折度之間的權衡，是實現(xiàn)下一代高能量密度、高功率密度鋰電池的關鍵。

電極制造遠不止簡單的“混合與涂布”，它是一個涉及膠體化學、流變學、熱力學和材料科學的精密過程。每一次攪拌、每一次干燥、每一次壓實，都在微觀層面上深刻影響著電池的宏觀性能。隨著科學家們對底層機理的深入理解和創(chuàng)新工藝的不斷涌現(xiàn)，我們正朝著制造更高效、更廉價、更安全鋰離子電池的目標穩(wěn)步邁進，這將為電動汽車的普及和可再生能源的存儲打下堅實的基礎。

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原文參考：Electrode Manufacturing for Lithium-Ion Batteries – Analysis of Current and Next Generation Processing