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。涂布是一個連續(xù)的過程，但傳統(tǒng)的攪拌工藝是一個間歇過程。連續(xù)攪拌工藝可以減少工藝時間和能耗，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)上也很難生產出具有良好機械性能的厚涂層。

（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涂布干燥后再重對另一面進行涂布，這增加了額外的制造時間，而且A面涂層要通過烘箱兩次。同時雙面涂布需要一個極片漂浮的干燥烘箱。

（6）孔隙率梯度電極。雙層電極模型計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%。在生產中，這需要連續(xù)的雙層涂布或模板技術。

電極漿料的流變性挑戰(zhàn)

制造過程中使用流變學作為預測工具，具有三個需要解決的主要挑戰(zhàn)：

（1）實驗室規(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鍵特性（如流變學）之間的關系，研究中有必要使用工業(yè)相關配方、重量百分比和設備（混合器和涂布機）還對電極漿料的流變學進行表征。流變學可以在混合和涂覆過程中檢測漿料批次內細微但重要的變化。例如，混合不良可能導致漿料中游離炭黑分布不均勻，導致整個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系是什么？它們是如何影響流動特性的？

（3）定量了解制造和過程控制中的最佳流變性。流體力學建模是了解涂布流動和潛在問題的手段，比如不穩(wěn)定流動、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）當前涂布技術的許多局限性與使用液體漿料有關。通常在這些漿料中，30%-60%的質量是溶劑，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致干燥過程中毛細管力較高，集流體潤濕較差，導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構，當前電極的最佳組成、厚度和孔隙率都是在漿料涂布工藝的約束下通過反復試驗得出的。放寬這些限制并提供更大的靈活性，可以實現(xiàn)更高性能電極的設計。

（3）電極結構參數的優(yōu)化與控制。電極厚度是影響鋰離子電池能量密度的關鍵結構參數之一，較厚的漿料涂布電極由于傳輸路徑較長而導致鋰離子傳輸緩慢。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)。

孔隙率是另一個對鋰離子電池性能會產生積極和消極兩方賣弄影響的關鍵參數，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，即實際鋰離子傳輸路徑長度與起點和終點之間的直線距離之比，是描述電極內鋰離子傳輸難度的結構參數。對于更高質量負載的電極，面臨的挑戰(zhàn)是需要開發(fā)新的電極結構策略，通過控制電極孔的形狀、尺寸和分布來實現(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的水平，同時部分工藝中涉及脫脂步驟和高溫燒結，使得該工藝成本更高，并且可能難以擴大規(guī)模。

電極干燥過程的挑戰(zhàn)

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

（2）濕電極膜的干燥動力學特別復雜，為了更好地控制電極結構及其相應的電子和離子傳輸特性，我們需要了解電極結構形成的過程。干燥是形成電極結構的基礎，因此有必要開發(fā)高級計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）進行測量。溶劑蒸發(fā)過程中的表面溫度和干燥應力可以通過紅外（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）顆粒結構和碳膠相（CBD）被壓縮和重排，顆粒間孔隙率降低。電極顆粒孔結構的壓實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，電極的機械性能受材料成分、工藝參數（例如輥子溫度、速度）和電極厚度的影響。由于這些特性和參數對電極壓延變形的影響非常復雜，因此需要表征電極的機械性能，比如硬度，彈性變形，電極和集流體之間的粘合性能。為了獲得進一步對機理的理解，需要大量參數和材料屬性之間的系統(tǒng)研究，比如數值模擬和實驗研究獲得壓延對多孔碳膠相的動態(tài)力學響應規(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行更深入的理解，以建立非線性本構行為，高保真地來研究電極內的微觀結構演變。





審核編輯：劉清