干法电极是什么？

干法电极是一种不使用液态溶剂，通过物理混合和机械加工直接将活性材料、导电剂及粘合剂制成电极的新型制备技术，其核心在于省略溶剂蒸发和回收环节，以简化工艺并提升性能。以下是详细介绍：

一、技术原理与制备流程

干法电极的制备过程可分为以下关键步骤：

1. 干混：将活性材料（如正极的NMC、LFP，负极的石墨、硅碳）、导电剂（如碳黑、碳纳米管）和固态粘合剂（如聚四氟乙烯PTFE）按比例混合，形成均匀干粉。

2. 干纤丝化：通过高剪切力设备（如气流粉碎机、螺杆挤出机）对混合物进行机械处理，使粘合剂纤维化，形成三维网状结构包裹活性颗粒。

3. 压延成型：将纤维化混合物压制成自支撑薄膜，再通过辊压工艺贴合到金属集流体（如铜箔或铝箔）上，形成电极。

二、核心优势

1. 环保与成本优势

• 零溶剂使用：避免传统湿法工艺中NMP等有毒溶剂的排放，减少污染和能耗。

• 设备简化：无需涂覆干燥烘箱和溶剂回收装置，设备投资降低，占地面积减少90%，生产成本降低10%-20%。

• 效率提升：省略溶剂蒸发步骤，生产周期缩短，产量提高，进一步降低成本。

2. 性能提升

• 高能量密度：无溶剂残留，活性物质利用率提升，电极压实密度更大（如磷酸铁锂压实密度从2.30g/cm³提升至3.05g/cm³），支持更高容量设计（如特斯拉4680电池能量密度提升16%）。

• 长循环寿命：纤维化结构抑制活性物质体积膨胀，减少颗粒脱落，实验显示2000次循环后容量保持率超90%。

• 优异倍率性能：导电网络更均匀，离子传输效率提高，面电阻较湿法工艺降低26%，适合快充场景。

• 高结合强度：干法电极涂层与集流体结合强度是湿法的3.2倍，低粘合剂含量（<1wt%）即可实现稳定附着。

3. 适配未来电池技术

• 固态电池兼容性：干法无溶剂特性避免液态电解质对电极材料的腐蚀，成为硫化物全固态电池量产的关键工艺。

• 超厚电极制备：涂布厚度可控范围达30-5000微米，远超湿法工艺的160微米极限，适合高能量密度需求。

三、应用领域

1. 锂离子电池：特斯拉通过收购Maxwell推广干法电极技术，应用于4680大圆柱电池，提升续航和安全性。

2. 超级电容器：高比表面积和导电性增强功率密度和循环寿命。

3. 固态电池：避免液态电解质副反应，成为量产核心工艺，推动丰田、松下等企业布局。

四、技术挑战

1. 材料均匀性控制：干混过程中颗粒团聚问题需进一步优化，确保活性材料、导电剂和粘合剂均匀分布。

2. 设备精度要求：纤维化设备需承受高剪切力，辊压设备需高精度控制以避免材料损伤。

3. 规模化生产难题：静电喷涂法均匀性不足，目前仅适用于实验室；干混工艺需解决颗粒团聚问题。

4. 粘合剂性能限制：主流PTFE粘合剂需改性（如碳包覆）以提高导电性和稳定性，工艺复杂度高。