鋰離子電池作為電動(dòng)汽車和電子設(shè)備的核心動(dòng)力源，其需求預(yù)計(jì)到2030年將超過2500 GWh。然而，傳統(tǒng)的電極制造過程能耗高、成本大，成為行業(yè)發(fā)展的瓶頸。為此，科研人員開發(fā)了多種先進(jìn)電極處理技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)高性能電池的可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)且高效制造。

傳統(tǒng)濕法漿料處理的局限

Millennial Lithium

濕法漿料處理是當(dāng)前最常用的電極制造方法。該過程將活性材料、粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑在溶劑（如NMP或水）中混合成漿料，涂覆在集流體上，經(jīng)干燥和壓光后成型。盡管技術(shù)成熟，但該過程存在顯著問題：干燥步驟能耗占制造總能耗的51.9%，且使用有毒溶劑NMP需復(fù)雜回收系統(tǒng)，增加成本和環(huán)境負(fù)擔(dān)。此外，高面密度電極易出現(xiàn)粘結(jié)劑遷移、開裂等問題，影響電池性能。

電極處理技術(shù)：電極處理技術(shù)通常包括三個(gè)主要步驟：混合（步驟1）、電極制造（步驟2）和壓光（步驟3）。a，傳統(tǒng)漿料基處理；b，干法處理；c，輻射固化處理；d，3D打印處理。

高級(jí)水基處理的進(jìn)展與挑戰(zhàn)

Millennial Lithium

為替代有機(jī)溶劑，水基處理應(yīng)運(yùn)而生。該方法使用水作為溶劑，降低能耗和毒性，尤其適用于石墨負(fù)極。但對(duì)于正極，水基處理面臨金屬浸出、鋁箔腐蝕和電極開裂等挑戰(zhàn)。例如，高鎳正極材料在水性漿料中pH可達(dá)12，導(dǎo)致鋰離子與質(zhì)子交換，引發(fā)結(jié)構(gòu)缺陷。解決方案包括表面涂層改性、添加酸性中和劑或使用碳包覆集流體。此外，通過優(yōu)化粘結(jié)劑梯度或多層電極設(shè)計(jì)，可改善厚電極的機(jī)械完整性。

干法處理：無溶劑的革新

Millennial Lithium

干法處理完全避免溶劑使用，顯著降低能耗和成本。其中，Maxwell型干法處理最具應(yīng)用潛力，包括干粉混合、壓制成自支撐薄膜和層壓到集流體三個(gè)步驟。該方法使用聚四氟乙烯（PTFE）作為粘結(jié)劑，在混合和壓光過程中形成纖維網(wǎng)絡(luò)，賦予電極均勻結(jié)構(gòu)和低迂曲度。

干法處理電極的性能與結(jié)構(gòu)a，干法處理電極與傳統(tǒng)電極在相同孔隙率、厚度和負(fù)載下的迂曲度對(duì)比；b，傳統(tǒng)電極（左）與干法電極（右）的材料分布；c，Maxwell型石墨干法電極的截面掃描電鏡圖；d，干法處理LNMO電極的循環(huán)性能提升；e，帶有聚合物保護(hù)涂層的石墨負(fù)極全電池性能。

干法處理可降低制造成本約11.5%，能耗減少46%以上。然而，PTFE在碳基負(fù)極中易分解，影響循環(huán)穩(wěn)定性。解決方案包括石墨表面聚合物涂層、使用硬碳材料或混合粘結(jié)劑。其他干法技術(shù)如熱壓擠出和干噴沉積雖具潛力，但面臨可擴(kuò)展性和吞吐量挑戰(zhàn)。

輻射固化處理：高速制造的利器

Millennial Lithium

輻射固化處理利用紫外線或電子束引發(fā)單體聚合，形成交聯(lián)聚合物粘結(jié)劑。該技術(shù)無需溶劑干燥，吞吐量高達(dá)167米/分鐘，設(shè)備占地面積減少85%。UV固化適用于薄電極，而電子束固化可穿透更厚電極，但需控制氧氣抑制反應(yīng)。

輻射固化電極處理：a，UV固化處理機(jī)制；b，輻射固化設(shè)備（藍(lán)色）與傳統(tǒng)干燥設(shè)備（紅色）尺寸對(duì)比。

盡管輻射固化粘結(jié)劑選擇有限，且需確保電化學(xué)穩(wěn)定性，但該技術(shù)在高速制造和能耗節(jié)約方面優(yōu)勢(shì)顯著，已成功應(yīng)用于高面容量電極。

3D打印處理：定制化結(jié)構(gòu)的未來

Millennial Lithium

3D打印技術(shù)可制造具有微網(wǎng)格、線條、螺旋等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電極，提升離子傳輸速率和倍率性能。主要方法包括直寫成型、材料噴射和熔融沉積建模。

3D打印電極處理：a，微網(wǎng)格；b，數(shù)字結(jié)構(gòu)；c，線條；d，線條結(jié)構(gòu)截面；e，螺旋；f，分層；g，纖維；h，柔性直寫成型電極；i，立體光刻打印熱解硬碳電極；j，模板輔助電沉積多孔電極。

直寫成型可制備多層厚電極，如10層1.5毫米厚的Li?Ti?O??電極，面容量達(dá)4.74 mAh/cm2。材料噴射技術(shù)如噴墨打印和氣溶膠噴射適用于薄電極和高分辨率結(jié)構(gòu)。然而，3D打印吞吐量低，粘結(jié)劑含量高，且需后處理，限制其大規(guī)模應(yīng)用。目前，該技術(shù)更適用于微型電池或特殊設(shè)計(jì)需求場(chǎng)景。

先進(jìn)電極處理技術(shù)各具特色：傳統(tǒng)濕法處理成熟但能耗高；水基處理環(huán)保卻兼容性有限；干法處理經(jīng)濟(jì)高效，需解決材料兼容性；輻射固化吞吐量高，粘結(jié)劑化學(xué)待優(yōu)化；3D打印結(jié)構(gòu)靈活，但成本與速度是瓶頸。

未來，干法處理有望替代傳統(tǒng)濕法，尤其在固態(tài)電池制造中優(yōu)勢(shì)明顯。結(jié)合人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)，可加速材料開發(fā)、工藝優(yōu)化和性能預(yù)測(cè)。然而，數(shù)據(jù)稀缺和標(biāo)準(zhǔn)化仍是挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)迭代，這些先進(jìn)方法將推動(dòng)鋰離子電池制造向更可持續(xù)、高效的方向發(fā)展。