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(fù)雜的科學(xué)？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(xué)術(shù)界共同關(guān)注的焦點。

作為專注于鋰電技術(shù)前沿的觀察者與傳播者，【美能鋰電】持續(xù)關(guān)注并分享此類基礎(chǔ)研究的重大突破。我們深信，每一次技術(shù)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(dǎo)電劑和粘結(jié)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(yīng)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(dǎo)致粘結(jié)劑遷移，即粘結(jié)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(dǎo)致涂層不均勻。

漿料：一切的基礎(chǔ)

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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(xué)來研究漿料的流動行為，其中粘度是最關(guān)鍵的指標(biāo)。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(guān)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(guān)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(yīng)力 (c) 振幅掃描中的模量 (d) 頻率掃描中的模量

另一個關(guān)鍵特性是屈服應(yīng)力，即讓漿料開始流動所需的最小力。適度的屈服應(yīng)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

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

干燥：微妙而關(guān)鍵的步驟

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干燥是一個復(fù)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(jié)劑和導(dǎo)電劑向電極表面的遷移，導(dǎo)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(xué)家們正在積極研發(fā)下一代電極制造技術(shù)，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(yīng)用也在攻關(guān)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(shù)，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(jié)構(gòu)相似性SEM圖

2. 厚電極與結(jié)構(gòu)設(shè)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(dǎo)致性能下降。解決問題的關(guān)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(shù)示意圖

研究人員開發(fā)了多種方法來構(gòu)建低曲折度電極結(jié)構(gòu)：

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(jié)構(gòu)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(dǎo)顆粒排列，形成有序結(jié)構(gòu)。

這些定制的電極結(jié)構(gòu)有望打破傳統(tǒng)電極中孔隙率和曲折度之間的權(quán)衡，是實現(xiàn)下一代高能量密度、高功率密度鋰電池的關(guān)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(xué)、流變學(xué)、熱力學(xué)和材料科學(xué)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(xué)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(biāo)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(chǔ)。

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