鋰電池的性能和成本在很大程度上取決于其電極的制造工藝。鋰電池在動力和儲能領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，一直受限于電池儲存能量、產(chǎn)品性能穩(wěn)定和成本下降的約束。提升電池的儲存能量實際也是降低單位產(chǎn)品的投入成本，目前正在通過上游正負(fù)極材料的創(chuàng)新在實現(xiàn)；同時在制造端新型干法電極技術(shù)的創(chuàng)新突破，在精簡電池制造工藝和提高制造效率、從而節(jié)減制造成本的同時，對電池活性物質(zhì)穩(wěn)定性等電化學(xué)性能的提升亦將發(fā)揮重要的作用，已成為當(dāng)前鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“兩大新方向”。目前電池的電極通常采用濕法涂布工藝（slurry-casting,SC），這種方法由于限制了電極的厚度，導(dǎo)致了成本增加和能量密度受限，成為新應(yīng)用領(lǐng)域的障礙。為解決這些問題，干法制造工藝（solvent-free,SF）被提出作為一種有希望的解決方案。SF工藝不使用溶劑，通過干法混合粘合劑、活性材料和導(dǎo)電劑，使制造更厚電極成為可能，無需擔(dān)心粘合劑分布不均的問題，從而顯著提高能量密度并降低制造成本。

一、干法電極主要工藝

極片生產(chǎn)是電芯制造的首要環(huán)節(jié)，鋰離子電池（LIBs）的成本和性能在很大程度上取決于電極的制造工藝。

傳統(tǒng)濕法工藝，主要分為漿料攪拌（制漿）、極片涂布、極片輥壓、極片分切四個步驟。其中，極片生產(chǎn)占設(shè)備、人工、廠房成本的35.75%，能源成本的57.23%，是電芯制造步驟中成本最高的環(huán)節(jié)。

（一）干法與濕法的工藝及材料對比

傳統(tǒng)濕法（SC）工藝：是將活性物、導(dǎo)電劑、粘接劑按比例混合在溶劑中，并通過狹縫涂布模頭按要求涂覆在集流體表面并輥壓。

干法（SF）工藝：是將活性顆粒、導(dǎo)電劑和進(jìn)行干混均勻后加入粘接劑，在粘接劑原纖化作用下形成自支撐膜，最后輥壓覆蓋在集流體表面。

綜合對比：活性材料是電池中用來存儲和釋放能量的部分，而傳統(tǒng)SC工藝限制了電極的厚度，如果要做厚電極干燥時粘合劑分布不均勻會影響電極和集流體之間的粘合，降低電極的穩(wěn)定性并因增大離子傳輸路徑影響電池充放電速度，也由此限制了電池的儲存能量。SF工藝不使用溶劑，通過干法均化粘合劑與活性材料和導(dǎo)電劑，可以制造出厚電極而無需擔(dān)心粘合劑分布不均的問題。增加電極厚度可以在同樣體積情況下容納更多的活性材料，從而顯著提高能量密度，并降低制造成本。

工序差異：干法電極取消了漿料制備、涂布、干燥及溶劑回收等工序，新增了干法制膜工序，常見的制膜方法：粘接劑原纖化法法、靜電噴涂法，其中以粘接劑原纖化法為主。

材料差異：粘接劑從正極的PVDF和負(fù)極的CMC+SBR粘接劑，變更為PTFE（聚四氟乙烯）粘接劑。

設(shè)備差異：取消涂布、烘干、溶劑回收設(shè)備；增加纖維化設(shè)備，主要為氣流粉碎、螺桿擠出機(jī)、開煉機(jī)；制膜所需的輥壓機(jī)要求提升。

（二）干法電極自支撐膜制備工藝

大多數(shù)SF工藝電極的制造程序包括三個步驟：干混、干涂層（干沉積）和最后的壓制，以達(dá)到所需的厚度和致密的電極結(jié)構(gòu)。也可以在干混后直接進(jìn)行壓制。根據(jù)干式涂層（沉積）過程的不同，SF工藝可以進(jìn)一步分為六種不同類型：聚合物纖維化、干噴沉積、氣相沉積、熱熔和擠壓、3D打印和直接壓制。目前業(yè)內(nèi)主要采取粉末擠壓成型的聚合物纖維化法和靜電噴涂法，美國和日本分別是粘接劑原纖化法和靜電噴涂法工藝的領(lǐng)先國家，其中，Maxwell 和 Toyota 各是兩種工藝的代表公司。Maxwell在粘接劑原纖化方案上具有專利和工藝成熟度的領(lǐng)先優(yōu)勢，已獲專利 37 個排名第一。

1、粘接劑原纖化是主流。粘接劑原纖化法，是將活性物質(zhì)粉末與導(dǎo)電劑混合后加入PTFE（聚四氟乙烯）粘接劑——然后對干混合物施加外部的高剪切力使其分散均勻后，進(jìn)行2次熱輥壓使PTFE原纖化后（從團(tuán)聚物變成網(wǎng)狀的原纖維物）呈網(wǎng)狀粘合電極粉末（活性物質(zhì)與導(dǎo)電劑混合物）——最后再擠壓混合物形成自支撐膜。電極片制造，則是將制成的電極膜雙面置于涂碳鋁箔表面，用熱輥壓機(jī)在180℃下固化，實現(xiàn)電極膜與集流體的粘接，得到壓實密度更高的干法電極片。因此，原纖化制膜方法又稱為“粉末擠壓成型法”。

原纖化制膜是極片輥壓的前段環(huán)節(jié)，主流的原纖化制膜機(jī)器為：1）氣流粉碎機(jī)；2）螺桿擠出機(jī)；3）開煉機(jī)。在PTFE 與活性物質(zhì)充分混合后，混合物被送入原纖化制膜機(jī)，在機(jī)器的輥壓下混合物會形成自支撐膜。

2019年特斯拉收購Maxwell公司，Maxwell主要采用粘接劑原纖化制膜，而特斯拉目前也是采用粘接劑原纖化法制造自支撐膜。Maxwell公司開發(fā)了一種用于超級電容器電極制造的創(chuàng)新聚合物纖維化技術(shù)，該技術(shù)利用可纖維化的PTFE在高剪切力下形成纖維，將活性材料顆粒連接在一起，并通過熱壓形成自支撐的電極膜。增加PTFE的纖維化程度是提高自承式電極膜機(jī)械強(qiáng)度的最有效方法之一。

干法工藝目前可用粘結(jié)劑只有PTFE。非常有必要為不同的電池系統(tǒng)開發(fā)具有廣泛電化學(xué)窗口的可纖維化粘結(jié)劑。

2、靜電噴涂法：是用高壓氣體預(yù)混活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑以及粘接劑顆粒，在靜電噴槍的作用下使粉末帶負(fù)電荷并噴至帶有正電荷的金屬箔集流體上，然后對載有粘接劑的集流體進(jìn)行熱壓，粘接劑融化后會粘連其他粉末并被擠壓成自支撐膜。

靜電噴涂法在后續(xù)的可加工性、粘連穩(wěn)固性、電極柔韌和耐久上表現(xiàn)，不如粘接劑原纖化法。且與現(xiàn)有的鋰電池生產(chǎn)線設(shè)備不兼容、控制電極厚度有困難，且效率也不及SC工藝。但該技術(shù)具有在卷對卷生產(chǎn)方式中實現(xiàn)放大生產(chǎn)的潛力。

3、氣相沉積法：包括磁控濺射、熱蒸發(fā)、脈沖激光沉積和原子層沉積等，通過這些方法，原材料被蒸發(fā)后在基底上沉積形成薄膜。使用脈沖激光沉積技術(shù)可以制造包含無定形鋰氧化物-釩氧化物-二氧化硅固態(tài)電解質(zhì)、晶態(tài)LiCoO2陰極和無定形SnO陽極的固態(tài)薄膜電池。但氣相沉積工藝的應(yīng)用受到設(shè)備復(fù)雜性、真空操作環(huán)境的需求和小規(guī)模輸出的限制。這些技術(shù)主要適用于制造微電子設(shè)備和高度集成電路中的小尺寸電極，在電動汽車或3C消費電子產(chǎn)品中的應(yīng)用受限。

4、熱熔和擠壓：使用的熱塑性聚合物（如聚丙烯PP、石蠟PW和硬脂酸SA）作為犧牲性粘合劑，活性材料和導(dǎo)電添加劑被混入聚合物混合物中，然后在擠出機(jī)中加熱，通過輥筒層壓形成自支撐的電極膜，并在高溫下燒結(jié)，并最終加熱去除粘合劑。這種方法雖然能制造出多孔電極，但需要大量粘合劑和高溫。擠壓法雖是一種可擴(kuò)展的高加載電極制造工藝，但其對顆粒大小敏感，需要精確控制溫度、剪切力和擠出時間。此外，高聚合物消耗、繁瑣的制造程序、以及脫粘和燒結(jié)過程所需的高溫限制了其在實際電極制造中的進(jìn)一步應(yīng)用。

5、3D打印：包括液體沉積成型（LDM）和熔融沉積成型（FDM）兩種。在FDM中通過加熱熔化熱塑性聚合物，將含有活性材料和導(dǎo)電添加劑的聚合物逐層沉積，以制造3D電極。這種技術(shù)能夠精確控制電極的厚度和形態(tài)，適用于特定應(yīng)用，如微電子和可穿戴設(shè)備。然而，由于FDM過程對活性材料裝載量的限制，這種方法目前還不適用于大規(guī)模電極制造。

6、直接壓制：利用多孔石墨烯等可壓縮材料直接混合和壓制成電極。直接壓制允許在室溫下，無需溶劑或粘合劑就可以形成致密、堅固的電極，這對于提高電池的能量密度和機(jī)械強(qiáng)度非常有利。然而將這一技術(shù)與卷對卷生產(chǎn)方式相結(jié)合的兼容性，即擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的可能性，目前還存在一些疑問。

二、干法電極工藝的綜合優(yōu)勢

傳統(tǒng)鋰離子電池采用濕法漿料涂覆工藝制造電極，存在極片干燥時間長、有機(jī)溶劑回收成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重、極片高負(fù)載受到限、殘留溶劑與電解液發(fā)生副反應(yīng)使電極性能下降等問題。

（一）干法工藝成本更低，制造成本降低18%

干法制造工藝步驟更少，電芯制造成本綜合降低18%，降幅0.056元/Wh。干法工藝將傳統(tǒng)濕法的漿料涂布改為制造自支撐膜，它無需NMP溶劑，省去了電極干燥及溶劑回收環(huán)節(jié)，實現(xiàn)更低的電芯制造成本（濕法工藝涂布干燥及溶劑回收環(huán)節(jié)，分別占設(shè)備、人工、廠房成本和能源成本的22.76%和53.99%）。

干法工藝對環(huán)境更友好，且工藝流程簡單更適配大規(guī)模生產(chǎn)。NMP（N-甲基吡咯烷酮）溶劑有毒，對環(huán)境不友好，且在傳統(tǒng)濕法工藝中需要對其進(jìn)行回收，會消耗大量的能量。干法工藝無需溶劑，在極片涂布環(huán)節(jié)減少烘烤及溶劑回收環(huán)節(jié)，工藝流程更簡單，設(shè)備占地面積更小，更適配極片的大規(guī)模生產(chǎn)。

（二）干法工藝提升活性物質(zhì)壓密，能量密度提升20%

干法電極在PTFE原纖化的作用下，較濕法電極可以實現(xiàn)更加平整的形貌，容納更多的活性物質(zhì)。由于濕法需要溶劑，在溶劑蒸發(fā)后活性物質(zhì)與導(dǎo)電劑之間會留出更多空隙，空隙導(dǎo)致材料的壓實密度不高。干法電極不存在烘干過程，因此不存在溶劑蒸發(fā)后留下的空隙，活性材料顆粒之間的以及與導(dǎo)電劑顆粒接觸更為緊密，可以做到更大的壓實密度，在相同的體積內(nèi)可以負(fù)載更多的活性材料，裂紋、微孔等問題更少。據(jù)相關(guān)實驗驗證，磷酸鐵鋰壓實密度可從2.30 g/cm3 提升至3.05g/cm3，提升幅度32.61%；三元材料壓實密度可從3.34 g/cm3提升至3.62 g/cm3，提升幅度8.38%。石墨負(fù)極壓實密度可從1.63 g/cm3提升至1.81 g/com3，提升幅度11.04%。

干法電極厚度極限更大，能適配更多的活性物質(zhì)，可以提升面容量。干法電極的粘結(jié)劑和活性材料干混過程中，粘結(jié)劑可以均勻地分布在活性顆粒周圍，有效的離子傳輸有助于具有高比容量厚電極的制造。傳統(tǒng)濕法電極涂布厚度極限是160 μm，而干法的厚度區(qū)間為30 μm-5 mm，更大的厚度區(qū)間也能適配更多樣的活性物質(zhì)。

相同條件下，干法電池能量密度可提升20%。根據(jù)Maxwell 的實驗數(shù)據(jù)，干法電極能量密度可以超過300 Wh/kg，且具備實現(xiàn)500 Wh/kg 的可能性。改善電極的壓縮密度可以提高電池的體積能量密度，因此干法電極技術(shù)也具備實現(xiàn)電池更大能量密度的技術(shù)路徑。

（三）干法工藝的電池循環(huán)性能、耐久度和阻抗等電性能更優(yōu)

PTFE原纖化后形成的纖維網(wǎng)提升干電極的材料穩(wěn)定性，進(jìn)而增強(qiáng)電性能。濕法工藝中，在電池經(jīng)歷500圈循環(huán)后，活性顆粒內(nèi)應(yīng)力不斷積累，導(dǎo)致剖面出現(xiàn)裂紋，最終降低了電池性能。在干法工藝下，纖維網(wǎng)包覆在活性材料表面，在經(jīng)歷500圈的充放電后網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)保持完整，顆粒表面的裂縫較少，與此同時，原纖化后的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能抑制活性物質(zhì)體積膨脹，防止顆粒從集流體上脫落，增強(qiáng)了電極的機(jī)械強(qiáng)度從而保證了電極的穩(wěn)定性。

干法電極無溶劑殘留發(fā)生副反應(yīng)降低電極性能。干法電極不使用溶劑，可避免出現(xiàn)濕法電極中殘留溶劑與電解液發(fā)生副反應(yīng)使電極性能下降問題，如容量降低、產(chǎn)生氣體和壽命縮短等。

干法電極不會發(fā)生因活性材料沉淀影響與集流體的結(jié)合問題。濕法電極在溶劑蒸發(fā)過程中，粘合劑和導(dǎo)電劑會隨著溶劑上浮偏聚在表面附近，而活性材料會沉淀，導(dǎo)致電極分層，這會損害電極中3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，并降低活性材料和集流體之間的結(jié)合強(qiáng)度。而干法電極無溶劑蒸發(fā)，可以實現(xiàn)更高的結(jié)合強(qiáng)度。

干法工藝制作的電極電阻低、導(dǎo)電性好。干法電極在制作過程不使用溶劑，黏結(jié)劑以纖維狀態(tài)存在，與活性材料顆粒表面僅為點接觸，活性材料周圍沒有絕緣層，也不存在烘干過程溶劑蒸發(fā)后留下空隙，不影響活性材料顆粒間的內(nèi)部接觸，活性材料顆粒之間以及與導(dǎo)電劑顆粒的接觸更緊密，電極的導(dǎo)電性能和倍率性能均好于濕法電極。

據(jù)相關(guān)實驗研究，在實驗室條件下，干法電池在循環(huán)性能上容量保持率高達(dá)95%（濕法僅90%）；電池因材料穩(wěn)定耐久性比濕法高（濕法下粘接劑老化活性顆粒脫落等逐步降低電池的耐久性）；交流阻抗比濕法電池低，干法極片面電阻為4. 66 mΩ，較濕法工藝降低了26%；循環(huán)過程產(chǎn)氣更少。

（四）干法電極更適配固態(tài)、4680等新一代電池

在應(yīng)用端，干法電池更適配4680、固態(tài)電池等新一代電池的制造需求。清研電子董事長王臣博士指出，未來全固態(tài)電池一定會以干法電極工藝為主，全固態(tài)電池中，硫化物電解質(zhì)對極性有機(jī)溶劑極為敏感，同時金屬鋰容易與溶劑反應(yīng)，導(dǎo)致膨脹更加嚴(yán)重，傳統(tǒng)的 PVDF-NMP 體系粘結(jié)強(qiáng)度有限，而干法電極中由PTFE原纖維化構(gòu)成的二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以抑制活性物質(zhì)顆粒的體積膨脹，防止其從集流體表面脫落。此外，采用干法電極工藝，固態(tài)電池的極片制造過程可以實現(xiàn)完全干燥，消除濕法工藝烘干后溶劑分子的殘留問題。

1、與固態(tài)電池設(shè)計理念類似，更適配固態(tài)電池的規(guī)?；慨a(chǎn)。高能量密度和高安全性是固態(tài)電池的最大特點。全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化主要受到固態(tài)電解質(zhì)、界面問題和電極加工的影響。如果能量密度要超過400Wh/kg，在現(xiàn)有的化學(xué)體系下，傳統(tǒng)的液態(tài)電池電極加工技術(shù)由于脆性和溶劑敏感性，很難滿足相應(yīng)的厚電極加工要求。干電極制備工藝適用于全固態(tài)電池電極的制備，可以避免傳統(tǒng)電池電極制備工藝中溶劑與固態(tài)電解質(zhì)相容性等問題。干法電極拋棄傳統(tǒng)液態(tài)溶劑，在干法技術(shù)的賦能下，固態(tài)電池的極片制造過程可以實現(xiàn)完全干燥，消除了濕法工藝烘干后溶劑分子的殘留問題。

此外，利用粘接劑的原纖化作用制造固體電解質(zhì)膜，能提升固態(tài)電池性能。干法電極成膜無溶劑，提高離子導(dǎo)電率；固態(tài)電解質(zhì)和粘接劑干混成膜無需烘干，制造成本更低，工藝簡單，更適配規(guī)?；慨a(chǎn)。研究表明，PTFE與大多數(shù)正極和負(fù)極材料相容，與氧化物固體電解質(zhì)相比，硫化物電解質(zhì)更容易與活性材料接觸。

干法PTFE制備的電極正極材料與電解質(zhì)接觸得更加緊密。由截面可以更直觀地看到正極顆粒周圍大部分被固態(tài)電解質(zhì)填充，保持了良好的傳輸通道，有效減緩充放電過程中體積變化造成的正極與電解質(zhì)之間接觸失活。

2、更適配電池的預(yù)鋰化策略，降低預(yù)鋰化難度。電池預(yù)鋰化策略用于緩解電池首周循環(huán)的鋰離子損失。鋰離子會與負(fù)極反應(yīng)形成SEI膜，造成6%-15%的鋰離子不可逆損失。主流的預(yù)鋰化策略為負(fù)極預(yù)鋰化和正極預(yù)鋰化，以正極預(yù)鋰策略為例，添加預(yù)鋰添加劑后，正極鋰含量顯著增多，有效的彌補(bǔ)了首周充放電過程帶來的鋰離子損失。濕法工藝的溶劑會與預(yù)鋰添加劑產(chǎn)生副反應(yīng)，消耗活性鋰，增加電池阻抗削弱預(yù)鋰效果；而干法工藝無需添加溶劑，干燥的生產(chǎn)環(huán)境更適配預(yù)鋰化策略的需求。因此，干法電極不用考慮預(yù)鋰材料與溶劑的兼容性，降低預(yù)鋰化難度。

三、干法電極技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用仍面臨技術(shù)和工程上的挑戰(zhàn)

當(dāng)前國內(nèi)干電極技術(shù)還未完全成熟，大部分研究仍停留在實驗室規(guī)模，在商業(yè)化中仍面臨技術(shù)和工程上的挑戰(zhàn)，需要解決這些技術(shù)和工程上的難題，才能在工業(yè)化生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。但干電極本身能給電池帶來性能上的巨大提升，仍然是極具潛力的工藝迭代方向。目前存在的主要問題有：

1、正負(fù)極活性材料顆粒干混并均勻分散導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑問題。一方面，必須實現(xiàn)混合物中PTFE原纖維的均勻分布。同時，又必須避免損壞活性材料顆粒。

2、干混過程結(jié)塊等導(dǎo)致工藝條件不穩(wěn)定問題。干混合物具有結(jié)塊傾向，混合物不能在容器中儲存太長的時間。同樣，粉末進(jìn)料或配料方面也有挑戰(zhàn)，一旦在進(jìn)料或計量裝置中對干混合物施加新的剪切力，結(jié)果就會增加形成團(tuán)聚物，這會導(dǎo)致工藝條件不穩(wěn)定。

3、干混不均勻以及粘接劑含量不足薄膜拉伸撕裂問題。為了可加工為自支撐薄膜，干膜必須具有一定的機(jī)械抗拉強(qiáng)度。如果粘結(jié)劑無法達(dá)到這種拉伸強(qiáng)度，例如由于粘結(jié)劑含量非常低，或者由于混合物不均勻性而出現(xiàn)缺陷，則薄膜開裂的風(fēng)險非常高，特別是對于低于100μm的薄膜，越寬、生產(chǎn)越快的薄膜，相應(yīng)的工藝步驟和干膜質(zhì)量就越不穩(wěn)定。

4、PTFE在低電位下不穩(wěn)定，會與鋰發(fā)生不可逆反應(yīng)。因此應(yīng)用于負(fù)極時會鋰化消耗活性鋰，降低黏附效果。

以上尤其在正極自支撐膜輥壓方面難度很大，特斯拉4680電池量產(chǎn)最多負(fù)極能采用干法，正極仍然采用濕法，主要是正極粉體壓制到一個特定的厚度時硬度較大，導(dǎo)致了壓輥壓力超荷，發(fā)生位置偏移甚至變形，這成為干法正極工藝的一個大難題。業(yè)內(nèi)探討的解決的方法，主要有三個方面：

（1）工藝提升。通過高剪切混合攪拌使電極粉體材料中的固態(tài)粘結(jié)劑樹脂纖維化，利用固態(tài)粘接劑纖維化后形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使電極粉體被這種三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相互交聯(lián)，采用連續(xù)、精確輸料之后經(jīng)過熱輥多級壓制成自支撐電極膜，隨后將電極膜熱復(fù)合于集流體的兩面，最終得到干法電極片。這種三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的極片可以防止活性物質(zhì)顆粒在電池充放電循環(huán)過程中發(fā)生脫落，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性能。

（2）PTFE表面涂覆鈍化改性等材料提升。PTFE無法直接應(yīng)用于干電極，會與負(fù)極表面的鋰離子反應(yīng)生成氟化鋰，電池中的PTFE含量越高，消耗的鋰也越多，降低容量，且會削弱粘合效果。此外，PTFE原纖化后形成的自支撐膜仍會存在活性物質(zhì)和粘接劑的粘連作用降低的問題，而活性物質(zhì)的脫落會導(dǎo)致電池內(nèi)部的電阻增加從而影響電池性能。為此必須對PTFE進(jìn)行改性，通過在表面涂覆導(dǎo)電碳實現(xiàn)粘接劑的鈍化，減弱與鋰離子的反映，提高粘接劑穩(wěn)定性。同時將傳統(tǒng)的非原纖化材料（如PVDF、CMC）研磨成為更小粒徑的材料，再與PTFE 混合形成新型的粘接劑，更小粒徑的粘接劑能實現(xiàn)電極膜活性物質(zhì)更均勻的分布，與此同時，粒徑更小的粘接劑有更強(qiáng)的粘連性。

（3）制造設(shè)備裝備提升。干法制膜主流的制造設(shè)備分為氣流粉碎機(jī)、螺桿擠出機(jī)以及開煉機(jī)。通過高速剪切混料纖維化設(shè)備將粉末狀原料進(jìn)行充分混合，實現(xiàn)各成分原料的微觀混合均勻性及纖維化物質(zhì)充分均勻地拉絲；通過揉捏擠出設(shè)備將已經(jīng)均勻拉絲并初具團(tuán)裝、快裝的物料均勻的邊輸送邊揉捏進(jìn)一步擴(kuò)大纖維化物質(zhì)的粘結(jié)作用；最后通過擠出摸頭擠出等寬等厚的均勻片狀待輥壓物料；接下來再進(jìn)入到高精度的連續(xù)輥壓設(shè)備之后，讓電極膜成型時產(chǎn)生“揉”和“搓”的作用得到面密度均勻的自支撐電極膜。

四、干法制膜技術(shù)突破方向

（一）設(shè)備大型化、集成化、一體化是未來發(fā)展趨勢

開發(fā)新的更高控制精度的干混設(shè)備至關(guān)重要。干法電極的大規(guī)模生產(chǎn)，干混是關(guān)鍵。材料的不同密度和尺寸，使其難以獲得均勻的干混物。在低粘結(jié)劑含量的前提下增加電極的機(jī)械強(qiáng)度，也是加速生產(chǎn)和提高比能量密度的關(guān)鍵，干混過程的具體機(jī)制仍需要進(jìn)一步探索。因此，開發(fā)新的干混設(shè)備，能夠處理具有良好均勻性的干粉，并實現(xiàn)對電極膜厚度的準(zhǔn)確控制，對于將成熟的SF技術(shù)從實驗室和試驗規(guī)模擴(kuò)展到大規(guī)模生產(chǎn)是至關(guān)重要的。尤其輥壓設(shè)備的迭代，對輥壓設(shè)備的工作壓力、輥壓精度以及均勻度提出更高要求。頭部輥壓設(shè)備廠商或率先受益于干法電極對于新型輥壓機(jī)的迭代需求。頭部廠商納科諾爾在國內(nèi)輥壓機(jī)市場市占率第一，有望充分受益行業(yè)紅利。

干法電極設(shè)備集成化一體化發(fā)揮的效率和價值量更高。即將加料、混料、纖維化、制膜、輥壓、分切、收卷等功能集成在一起，降低流轉(zhuǎn)時間，提高效率及一致性等，設(shè)備價值量更高。

特斯拉采用的壓延切邊一體機(jī)的輥壓部分類似開煉機(jī)。1）在機(jī)器的頭部放料后，混料會沿著走帶方向進(jìn)入輥筒，由于下游的輥筒轉(zhuǎn)速快于上游，輥縫間形成的高剪切力會對活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑以及粘接劑擠壓并混合。2）在原纖化作用下形成的自支撐膜會附著到下游更快的輥筒上并反復(fù)壓延。3）機(jī)器側(cè)邊的計量輥可以控制輥筒的轉(zhuǎn)速和溫度，而在機(jī)器的尾部會設(shè)置分切系統(tǒng)，將成型的寬電極膜按要求裁切成窄電極膜。4）雙面涂層與集流體復(fù)合層壓機(jī)器是集合正/負(fù)電極膜生產(chǎn)、電極膜和集流體層壓和極片收卷，本質(zhì)是壓延切邊復(fù)合一體機(jī)。

開發(fā)干法電極工藝裝備，設(shè)備原型必須快速開發(fā)并反復(fù)修改和調(diào)整功能，并且快速集成到中試工廠，不斷提高干法工藝的穩(wěn)定性、一致性和生產(chǎn)效率。

（二）PTFE改性及開發(fā)新型粘接劑

?對PTFE粘接劑進(jìn)行改性。傳統(tǒng) PVDF 不適配干電極。干電極制膜主流采用粘接劑原纖化法，而PVDF 無法纖維化，只能應(yīng)用在非主流的靜電噴涂法中。PTFE 聚合分子量較大，可形成更長的原纖維，惰性強(qiáng)抗腐蝕，同時有良好機(jī)械性能，綜合性能更優(yōu)，但目前適用于干電極的高端 PTFE 尚未成熟，還不能直接用于干電極。特斯拉專利顯示普通 PTFE 無法直接應(yīng)用于干電極，必須進(jìn)行改性。如前述，一是通過在PTFE表面涂覆導(dǎo)電碳實現(xiàn)粘接劑的鈍化改性，加強(qiáng)活性物質(zhì)導(dǎo)電能力，提高粘接劑穩(wěn)定性，抑制電解液等材料的分解等；二是與非原纖化材料混合，降低粒徑，改善均勻性，提高粘連性。通過干法制備的固態(tài)電解質(zhì)膜，可取代現(xiàn)有濕法工藝中的隔膜及電解液，從根本上提高電池的安全性、能量密度。

高端PTFE將成為市場需求的藍(lán)海。全面替代濕法電池打開 PTFE需求想象空間。新能源產(chǎn)業(yè)在各國發(fā)展如火如荼，在儲能側(cè)、動力側(cè)以及3C領(lǐng)域的拉動下，預(yù)計全球鋰電池的需求將以 30%以上的增速逐年增加。鋰電池需求的高速增長也將打開干電極以及其粘接劑PTFE的想象空間。干電極技術(shù)將帶動PTFE需求快速增長，業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，在干法工藝滲透率逐步提高的背景下，干電極PTFE的需求增速較PVDF能實現(xiàn)4倍的增長。預(yù)計2025年干法電極滲透率達(dá)到3%，2030年達(dá)到15%，2030年干電極PTFE總需求將達(dá)到21.91萬噸。

目前國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的PTFE下游應(yīng)用主要集中于低端塑料產(chǎn)品，高端PTFE主要依靠進(jìn)口。高端PTFE用于5G通訊以及干電極，當(dāng)前產(chǎn)能集中于外企如杜邦、大金等。伴隨國內(nèi)氟化工龍頭逐步轉(zhuǎn)型布局高端PTFE，在干法電極成熟后龍頭企業(yè)有望充分享受行業(yè)紅利。山東東岳是目前國內(nèi)最大的PTFE生產(chǎn)廠商。山東東岳、中昊晨光、浙江永和、巨化集團(tuán)是國內(nèi)排名前四的聚四氟乙烯生產(chǎn)商，行業(yè)競爭格局較為穩(wěn)定。

開發(fā)更好的新型粘結(jié)劑。不同的干法工藝需要不同的粘結(jié)劑。聚合物纖維化可能是最有希望替代傳統(tǒng)SC制造的工藝，開發(fā)如具有廣泛適用的電化學(xué)窗口具有良好穩(wěn)定性的可纖維化聚合物新材料來替代聚四氟乙烯（PTFE），非常值得研究。目前只有PTFE被用于聚合物纖維化，然而它在陽極制造中并不穩(wěn)定，并且不能用于LFP。一方面，可以開發(fā)改進(jìn)的PTFE變體；另一方面，開發(fā)基于PVDF甚至無氟聚合物粘結(jié)劑。

（三）石墨烯納入干法制備電極材料能有效改善電池的性能

在干法制備鋰電池電極過程中，石墨烯的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛研究和實踐。包括納入或添加進(jìn)正負(fù)極材料、石墨烯氧化物（如氧化石墨烯、石墨烯氧化物復(fù)合材料）與其他電極活性材料結(jié)合使用，能夠有效改善電池的性能，包括提高導(dǎo)電性、增加表面積、改善結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及提升充放電速率和循環(huán)壽命。一是提升導(dǎo)電性能：石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，將石墨烯納入電極材料中能夠顯著提高電極的導(dǎo)電性能，減少電阻損耗，提高電極的傳導(dǎo)效率。二是增加電極表面積：石墨烯的二維結(jié)構(gòu)賦予其高比表面積的特性，將石墨烯納入電極材料中能夠有效增加電極的可用表面積，提高鋰離子在電極材料表面的吸附量，從而提高電池的儲能密度。三是改善電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：石墨烯具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠增強(qiáng)電極的機(jī)械支撐性，并且在鋰離子的插入/拔出循環(huán)過程中減少電極材料的體積膨脹和收縮，提高電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。四是促進(jìn)離子傳輸：石墨烯具有良好的離子擴(kuò)散性能，能夠促進(jìn)鋰離子在電極材料中的快速擴(kuò)散和傳輸，提高電極的充放電速率性能。五是改善電池的安全性：由于石墨烯的優(yōu)異導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性，其添加能夠提高電極的熱導(dǎo)率和散熱性，有助于改善電池的熱管理和安全性。

除上述三個方面外，導(dǎo)電劑和干法電極工藝改進(jìn)優(yōu)化也很重要：

優(yōu)化導(dǎo)電添加劑設(shè)計，以滿足干式涂層的要求。一維結(jié)構(gòu)的CNT或VGCF與纖維化的PTFE形貌類似，可能更適合干法電極。

干法電極工藝開發(fā)。重點是干燥混合物的高效和均勻分散性以及粘結(jié)劑的充分均勻的纖維化。提高成膜工藝的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，降低干膜的裂紋、孔洞、厚度不均勻等缺陷。根據(jù)所需的產(chǎn)品成分、面載荷、孔隙率、尺寸等特性，進(jìn)行廣泛的工藝參數(shù)研究，以評估工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。

五、干法電極技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

干法電極最先在電池生產(chǎn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用，是特斯拉。2019年，特斯拉以超55%的溢價，用市值2.35億美元（折合約15億元）的股票購入Maxwell，該公司的核心技術(shù)即干電極技術(shù)。次年，特斯拉便推出4680圓柱電池，稱將在全新的圓柱電池體系中應(yīng)用干電極技術(shù)。

據(jù)報道，2023年6月，大眾汽車子公司 PowerCo SE 公開宣布，計劃將干法電極工藝引入到其歐洲和北美的電池生產(chǎn)工廠。這是繼特斯拉4680電池采用干法電極工藝之后，第二家國際汽車巨頭宣布將采用這一創(chuàng)新技術(shù)。

PowerCo SE 首席執(zhí)行官 Frank Bloom表示，干法電極技術(shù)對于電池生產(chǎn)來說，就像固態(tài)電池對于產(chǎn)品一樣，實現(xiàn)真正的顛覆。如果成功擴(kuò)大規(guī)模，將帶來獨特的市場地位和明顯的競爭優(yōu)勢。根據(jù)PowerCo SE的規(guī)劃，2025-2027年將完成3個標(biāo)準(zhǔn)電池工廠建設(shè)，規(guī)劃年產(chǎn)能合計超120GWh。目前德國薩爾茨吉特工廠、西班牙瓦倫西亞工廠已經(jīng)在建設(shè)中，今年4月，其加拿大圣托馬斯工廠也舉行了簽約儀式。

國內(nèi)鋰電裝備的企業(yè)嘉拓智能，也在加快推進(jìn)干電極制備工藝的研發(fā)與應(yīng)用。嘉拓智能副總裁周研表示，嘉拓的干法制備探索始于2015年，到成立干法實驗室，再到逐步實現(xiàn)主流電池材料成膜驗證，圍繞干電極制備工藝的成果也相繼面世。在干法成膜厚度及均勻控制難點上，嘉拓智能的解決方案是雙鋼帶系統(tǒng)成型和多級輥壓。其干電極生產(chǎn)裝備，主要包括混料、處理&成膜、減薄、精軋&裁邊以及復(fù)合收卷。

納科諾爾聯(lián)合清研電子推出了干法電極成型覆合一體機(jī)，實現(xiàn)電極膜成型以及電極膜與集流體復(fù)合的一體化。輥壓寬度可達(dá)450mm，輥壓速度高達(dá)50m/min，通過閉環(huán)控制和實時數(shù)據(jù)采集，其精度控制在±1.5μm。

該一體機(jī)采用8輥連軋設(shè)計，融合伺服輥縫控制、測厚厚度閉環(huán)控制、切邊寬度/糾偏閉環(huán)控制、獨立收膜/收卷設(shè)計、MES系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)采集等多項創(chuàng)新技術(shù)。

專注“干法電極技術(shù)公司寶晟能源科技也開發(fā)了“干法制備預(yù)鋰化負(fù)極”專利方法，已經(jīng)組裝了軟包電池并驗證了首效參數(shù)和循環(huán)性能，目前干法電極的中試量產(chǎn)已經(jīng)完成。第四代干法成膜設(shè)備，幅寬達(dá)到75cm。據(jù)介紹，其自研的干法工藝可以做到全過程物料可以100%循環(huán)再利用。