Блог около Сухая электродная технология повышает эффективность литий-ионных аккумуляторов и снижает затраты

Глобальный энергетический ландшафт претерпевает глубокие изменения, ускоряя переход к экономике, основанной на электроэнергии, получаемой из возобновляемых источников. В основе этого перехода лежит технология литий-ионных аккумуляторов (LIB), которая не только подстегнула рост электромобилей (EV), но и предоставила экономически выгодные решения для крупномасштабного хранения энергии. Однако для достижения широкого распространения электромобилей производство аккумуляторов должно резко увеличиться, сохраняя при этом экологические стандарты и снижая затраты. Удовлетворение растущего спроса на LIB для электромобилей, стационарных накопителей, электроинструментов и портативной электроники представляет собой критическую задачу: как расширить производственные мощности, снизить затраты и минимизировать углеродный след производства.

Представляем технологию сухих электродов (DBE) — инновационный подход, призванный произвести революцию в производстве LIB, решая эти проблемы напрямую.

Традиционное производство LIB основано на процессе на основе суспензии, при котором активные материалы, проводящие добавки и связующие вещества смешиваются с растворителями, наносятся на металлические фольги и высушиваются для формирования электродов. Этот метод энергозатратен, трудоемок и требует использования токсичных растворителей, таких как N-метил-2-пирролидон (NMP), что создает экологические риски и риски для здоровья. Восстановление и утилизация NMP еще больше увеличивают производственные затраты.

Напротив, технология сухих электродов полностью исключает растворители. Вместо этого сухая порошковая смесь непосредственно прессуется или наносится на металлические фольги, упрощая производство, снижая энергопотребление и минимизируя воздействие на окружающую среду.

Современные исследования технологии сухих электродов в основном ориентированы на катодные материалы, поскольку NMP остается незаменимым в традиционном производстве катодов, в то время как анодные материалы уже можно производить с использованием процессов на водной основе. Эта статья следует этой тенденции, подробно рассматривая взаимосвязь структуры и характеристик катодов, обработанных сухим способом.

Исследования показали, что процессы сухого нанесения на основе политетрафторэтилена (PTFE) могут успешно производить электроды с различными активными катодными материалами (CAM), включая NMC, NCA, NCMA, LFP, LMO, LMNO и LCO. Электроды, обработанные сухим способом, демонстрируют скорость и циклические характеристики, сопоставимые с электродами, изготовленными мокрым способом, что подчеркивает жизнеспособность и потенциал технологии DBE.

Производительность электродов зависит не только от химического состава активных материалов, но и от таких параметров, как распределение частиц по размерам, состав и добавки. Ниже приведены три критических фактора, изученные в тематических исследованиях:

Мэтьюз и др. проанализировали микроструктуру и электрохимические характеристики электродов NMC622 на основе PTFE, сосредоточив внимание на качественном описании процесса фибрилляции. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) выявила закрепление PTFE на поверхностях NMC и последующее распутывание кристаллических единиц. При содержании PTFE 1% электрод образовал иерархическую сеть первичных и вторичных фибрилл диаметром от микрометров до нанометров. По сравнению с электродами, обработанными мокрым способом, сухие электроды демонстрировали более низкое сопротивление ионной диффузии, незначительно улучшенное сохранение емкости (после 200 циклов при C/3) и превосходные скоростные характеристики (0,1–2C). Эти результаты подчеркивают, как настройка взаимодействий PTFE-активный материал может существенно влиять на микроструктуру и характеристики электродов.

Тао и др. исследовали, как изменения микроструктуры влияют на электрохимическую кинетику в катодах NMC, регулируя пористость с помощью нагрузки сжатия (22%, 32% и 39%). Однако сжатие также вызвало разрушение частиц NMC. Исследование показало, что сопротивление листа электрода было оптимальным при промежуточной пористости: высокая пористость увеличивала сопротивление из-за избыточного объема пустот, в то время как низкая пористость повышала сопротивление из-за плохой электронной связи между разрушенными частицами. Сопротивление переносу заряда также достигло своего минимума при промежуточной пористости, что предполагает баланс между достаточным пространством пустот для переноса заряда и компактной структурой для более коротких путей диффузии ионов лития. Электрод с пористостью 32% обеспечивал наилучшие скоростные характеристики, что указывает на оптимальный диапазон пористости. Однако разрушение частиц при сжатии выявило ограничения, особенно для получения высококачественных тонких покрытий с низкой пористостью. Необходимы долгосрочные циклические испытания для оценки потенциальных негативных последствий разрушения частиц при высоком сжатии.

О и др. внесли еще один вклад, изучив, как инертные материалы влияют на характеристики электродов. Используя сухой процесс с двумя типами PTFE с аналогичным средним размером частиц и плотностью упаковки, они наблюдали, что связующие вещества с более высоким коэффициентом экструзии легче фибриллировали, что приводило к меньшей извилистости и незначительно лучшим электрохимическим характеристикам. При содержании PTFE 2% электроды с нагрузкой 10 мАч см−2 достигли 80% разрядной емкости при 0,5C.

Несмотря на свои перспективы, технология DBE сталкивается с несколькими препятствиями перед широкомасштабным промышленным внедрением:

• Равномерное смешивание материалов: Обеспечение однородного сухого смешивания активных материалов, проводящих агентов и связующих веществ имеет первостепенное значение. Агломерация или стратификация могут привести к неравномерному распределению сопротивления, ухудшая характеристики аккумулятора.
• Выбор и дозировка связующего вещества: Сухие электроды требуют связующих веществ с высокой адгезией, устойчивостью к изменениям объема во время циклов и структурной стабильностью. Содержание связующего вещества должно быть точным — слишком мало снижает прочность электрода; слишком много снижает плотность энергии.
• Оптимизация уплотнения: Процесс уплотнения сухих электродов критически влияет на пористость, плотность и электропроводность. Оптимизация этого этапа для баланса прочности и производительности остается ключевой задачей.
• Разработка оборудования и процессов: Существующие производственные линии LIB предназначены для мокрых процессов. Необходимо разработать специальное оборудование для сухого смешивания, нанесения покрытий и уплотнения.
• Контроль затрат: Хотя технология DBE может снизить затраты, практическая реализация требует тщательного рассмотрения затрат на материалы, оборудование, энергию и рабочую силу для обеспечения экономической конкурентоспособности.

Тем не менее, эти проблемы соответствуют значительным возможностям:

• Снижение производственных затрат: Исключение растворителей снижает затраты на закупку, восстановление и утилизацию, а также сокращает потребление энергии и упрощает рабочие процессы.
• Более высокая плотность энергии: Сниженное содержание связующего вещества позволяет увеличить соотношение активного материала, повышая плотность энергии.
• Экологические преимущества: Производство без растворителей соответствует целям экологически чистого производства.
• Повышенная эффективность: Оптимизированные процессы сокращают производственные циклы и повышают производительность.
• Расширенные варианты материалов: Сухая обработка позволяет использовать чувствительные к растворителям материалы, ранее несовместимые с мокрыми методами.

Технология сухих электродов представляет собой прорыв в производстве LIB с огромным потенциалом. Хотя проблемы сохраняются, текущие достижения в области составов материалов, совершенствования процессов и инноваций в оборудовании позволяют DBE сыграть ключевую роль в снижении затрат, повышении плотности энергии и повышении устойчивости. По мере углубления исследований и прогресса индустриализации технология DBE может стать доминирующим методом производства, способствуя революции электромобилей и поддерживая глобальный энергетический переход. Путем уточнения соотношений материалов, оптимизации процессов и углубления понимания взаимосвязей между микроструктурой и характеристиками, отрасль может раскрыть весь потенциал DBE, направляя аккумуляторные технологии к более чистому и эффективному будущему.