锂电工艺 |电极制造的高级处理技术：从湿法到干法的革新

锂离子电池作为电动汽车和电子设备的核心动力源，其需求预计到2030年将超过2500 GWh。然而，传统的电极制造过程能耗高、成本大，成为行业发展的瓶颈。为此，科研人员开发了多种先进电极处理技术，旨在实现高性能电池的可持续、经济且高效制造。

传统湿法浆料处理的局限

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湿法浆料处理是当前最常用的电极制造方法。该过程将活性材料、粘结剂和导电剂在溶剂（如NMP或水）中混合成浆料，涂覆在集流体上，经干燥和压光后成型。尽管技术成熟，但该过程存在显著问题：干燥步骤能耗占制造总能耗的51.9%，且使用有毒溶剂NMP需复杂回收系统，增加成本和环境负担。此外，高面密度电极易出现粘结剂迁移、开裂等问题，影响电池性能。

电极处理技术：电极处理技术通常包括三个主要步骤：混合（步骤1）、电极制造（步骤2）和压光（步骤3）。a，传统浆料基处理；b，干法处理；c，辐射固化处理；d，3D打印处理。

高级水基处理的进展与挑战

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为替代有机溶剂，水基处理应运而生。该方法使用水作为溶剂，降低能耗和毒性，尤其适用于石墨负极。但对于正极，水基处理面临金属浸出、铝箔腐蚀和电极开裂等挑战。例如，高镍正极材料在水性浆料中pH可达12，导致锂离子与质子交换，引发结构缺陷。解决方案包括表面涂层改性、添加酸性中和剂或使用碳包覆集流体。此外，通过优化粘结剂梯度或多层电极设计，可改善厚电极的机械完整性。

干法处理：无溶剂的革新

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干法处理完全避免溶剂使用，显著降低能耗和成本。其中，Maxwell型干法处理最具应用潜力，包括干粉混合、压制成自支撑薄膜和层压到集流体三个步骤。该方法使用聚四氟乙烯（PTFE）作为粘结剂，在混合和压光过程中形成纤维网络，赋予电极均匀结构和低迂曲度。

干法处理电极的性能与结构a，干法处理电极与传统电极在相同孔隙率、厚度和负载下的迂曲度对比；b，传统电极（左）与干法电极（右）的材料分布；c，Maxwell型石墨干法电极的截面扫描电镜图；d，干法处理LNMO电极的循环性能提升；e，带有聚合物保护涂层的石墨负极全电池性能。

干法处理可降低制造成本约11.5%，能耗减少46%以上。然而，PTFE在碳基负极中易分解，影响循环稳定性。解决方案包括石墨表面聚合物涂层、使用硬碳材料或混合粘结剂。其他干法技术如热压挤出和干喷沉积虽具潜力，但面临可扩展性和吞吐量挑战。

辐射固化处理：高速制造的利器

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辐射固化处理利用紫外线或电子束引发单体聚合，形成交联聚合物粘结剂。该技术无需溶剂干燥，吞吐量高达167米/分钟，设备占地面积减少85%。UV固化适用于薄电极，而电子束固化可穿透更厚电极，但需控制氧气抑制反应。

辐射固化电极处理：a，UV固化处理机制；b，辐射固化设备（蓝色）与传统干燥设备（红色）尺寸对比。

尽管辐射固化粘结剂选择有限，且需确保电化学稳定性，但该技术在高速制造和能耗节约方面优势显著，已成功应用于高面容量电极。

3D打印处理：定制化结构的未来

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3D打印技术可制造具有微网格、线条、螺旋等复杂结构的电极，提升离子传输速率和倍率性能。主要方法包括直写成型、材料喷射和熔融沉积建模。

3D打印电极处理：a，微网格；b，数字结构；c，线条；d，线条结构截面；e，螺旋；f，分层；g，纤维；h，柔性直写成型电极；i，立体光刻打印热解硬碳电极；j，模板辅助电沉积多孔电极。

直写成型可制备多层厚电极，如10层1.5毫米厚的Li₄Ti₅O₁₂电极，面容量达4.74 mAh/cm²。材料喷射技术如喷墨打印和气溶胶喷射适用于薄电极和高分辨率结构。然而，3D打印吞吐量低，粘结剂含量高，且需后处理，限制其大规模应用。目前，该技术更适用于微型电池或特殊设计需求场景。

先进电极处理技术各具特色：传统湿法处理成熟但能耗高；水基处理环保却兼容性有限；干法处理经济高效，需解决材料兼容性；辐射固化吞吐量高，粘结剂化学待优化；3D打印结构灵活，但成本与速度是瓶颈。

未来，干法处理有望替代传统湿法，尤其在固态电池制造中优势明显。结合人工智能与机器学习，可加速材料开发、工艺优化和性能预测。然而，数据稀缺和标准化仍是挑战。随着技术迭代，这些先进方法将推动锂离子电池制造向更可持续、高效的方向发展。