贵州大学赵燕兰特聘教授&清华大学何向明教授，ESM绿色经济可行的高能量密度锂电池干电极制造

第一作者：曹堃

通讯作者：赵燕兰，何向明

单位：贵州大学，清华大学

锂离子电池在储能领域占据主导地位，但其传统浆料电极制造工艺因使用有毒溶剂NMP而存在环境污染、高能耗和成本较高等问题；为此，无溶剂干电极技术应运而生，该技术通过省略浆料涂覆和干燥步骤，不仅显著降低了生产成本和环境影响，而且能够制备高质量负载的厚电极，从而提升电池的能量密度和机械性能，并已获得特斯拉等企业的工业应用探索及学术研究的性能验证；然而，尽管干电极技术在经济、环境与性能方面展现出显著优势，其全面工业化仍面临生命周期评估体系不完善以及技术挑战亟待解决等问题，亟需多角度深入研究以推动该技术向更环保、高效的方向发展。本文系统梳理干电极相较于传统浆料电极的综合性优势，分析其工业化进程中生命周期评估（LCA）的发展趋势与关键技术挑战，深入探讨干法电极的产业化潜力与挑战，为干法电极技术的进步与产业化应用提供多角度理论参考。

近日，来自贵州大学的赵燕兰特聘教授与清华大学的何向明教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Green and economically viable dry-electrode manufacturing for high-energy-density lithium batteries”的观点文章。该观点文章分析了现在干法电极相比于传统浆料电极的系统性优势，同时汇总了近期在研究干法电极优势、LCA分析、产业化潜力的进展。

干法电极技术凭借其无溶剂核心工艺，在经济、环境与性能三个维度均展现出显著优势。经济上，该技术直接省去了高能耗的干燥与溶剂回收环节，显著降低能耗，并通过制造厚电极减少了集流体、隔膜等辅助材料消耗。同时，它避免了涂布机和NMP回收系统等昂贵设备，据BatPaC分析，其资本投资最高可降低20%，整体生产成本预计下降10-15%，特斯拉4680电池更是实现了单位成本降低超50%的成效。在环境方面，干法电极技术从源头杜绝了NMP等有毒溶剂的使用，消除了相关的污染排放与安全风险。模型预测表明，若全球电动车电池均采用干法工艺，至2030年有望累计减少约1亿吨二氧化碳排放。生命周期评估（LCA）进一步证实，其整体环境影响可比传统浆料工艺降低约47.5%。在电极性能上，干法电极技术通过独特的加工方式（如PTFE原纤化）形成了优化的微观结构，具有更低的曲折度，从而显著提升了离子/电子传输速率，表现出优异的倍率性能和快充能力。该工艺能制备出高面容量（如NMC电极达17.6 mAh·cm⁻²）、高体积能量密度（如NCA阴极达858 Wh·L⁻¹）的厚电极。同时，干法电极还展现出更强的机械完整性与界面附着力，确保了电极在长期循环中的结构稳定性和更高的容量保持率。

LCA作为量化电池制造环境影响的关键工具，在当前研究主要集中在成熟的浆料电极上，揭示了其高环境负担主要源于材料提取、能源密集型干燥工艺及溶剂使用。相比之下，工业规模干法电极的LCA研究尚处于早期阶段，但现有比较研究已表明其显著的生态优势。干法电极技术通过消除溶剂及与之相关的干燥和回收步骤，从根本上重构了环境影响格局，使制造阶段能耗降低高达41%，并在从摇篮到坟墓的评估中，在绝大多数环境影响类别（如全球变暖潜能值）中表现更优。然而，干法电极与浆料电极在工艺上的根本差异（如干法电极依赖高剪切混合和热压）要求LCA方法论进行相应调整，不能直接套用为浆料电极建立的评估框架。未来的LCA研究需致力于开发模块化、标准化的清单分析方法，以适应干法电极技术的快速发展，并更准确地评估其在材料供应链、可再生能源整合及电池性能差异等复杂因素下的综合环境效益，从而为这一变革性技术的可持续产业化提供科学依据。

干法电极技术凭借其无溶剂制造的核心优势，在锂离子电池、全固态电池（ASSB）和锂硫（Li-S）电池等下一代储能系统中展现出广阔的应用前景和关键作用。在商业化进程中，特斯拉通过其4680圆柱电池成功验证了干法电极技术的大规模工业化可行性，实现了显著的性能提升和成本降低，但也暴露出如热管理挑战和电极结构优化等仍需改进的问题。对于ASSB，干法电极技术至关重要地解决了硫化物固态电解质对水分和溶剂的敏感性难题，通过避免溶剂接触保障了电解质稳定性，并促进了电极与电解质间均匀的离子/电子导电网络构建。在锂硫电池领域，干法电极技术能够制造出高硫负载（可达25 mg·cm⁻²）、结构稳定的厚电极，显著提升了面容量和体积能量密度，并展现出优异的循环稳定性，但其电极在电解液润湿后存在的膨胀问题对体积能量密度构成挑战。此外，干法电极技术本身也面临诸如常用PTFE粘合剂可能引发的副反应、以及实现均匀混合与精确原纤化控制的工艺难题。因此，干法电极技术的全面成功商业化，不仅依赖于电极材料和粘合剂体系的持续优化，更亟需在电池结构设计、热管理系统以及规模化生产工艺上取得协同突破。

干法电极制造技术要实现更广泛的工业应用，仍需克服材料、设备和智能化辅助系统等方面的核心挑战。在材料领域，粘合剂的选择与优化至关重要，目前主流的PTFE虽具有优异的原纤化能力和机械增强作用，但其非极性导致的附着力差、在~1.2 V(vs. Li/Li⁺)发生还原性脱氟副反应生成LiF损害界面稳定性，以及其全氟特性带来的环境问题，都制约着其应用。开发低氟或无氟、生物基或功能化聚合物等新型粘合剂体系是未来的重点。在设备与工艺方面，干法混合工序是决定电极性能的关键瓶颈，其面临的挑战包括颗粒易偏析、难以在不引入过高能量输入和材料磨损的前提下实现活性材料、导电剂和粘合剂三相的均匀分布，以及缺乏标准化的参数调控与分析框架。优化需要精确协调多个相互关联的工艺参数，以平衡导电网络构建与粘合剂原纤化动力学。此外，在人工智能快速发展的背景下，利用机器学习、生成式AI和高通量虚拟筛选等计算机辅助技术，对优化电极微观结构、预测材料性能、加速新组分发现和降低制造成本（能耗可降46%以上）展现出巨大潜力，但目前也面临数据稀缺、计算成本高及从实验室到产业化的鸿沟等限制。综上所述，通过协同攻克干混均匀性、粘合剂性能以及智能化制造系统这些关键难题，将有力加速干法电极技术的产业化进程。

干法电极技术要实现规模化应用仍面临多重挑战。首先，缺乏针对干法电极技术的生命周期评估（LCA）研究，现有分析框架主要基于浆料工艺，亟需开发适应其无溶剂特性的模块化LCA方法。其次，在大规模生产中，存在电极厚度与宽度均匀性控制难题，边缘修整导致材料浪费，且从锂离子电池到全固态电池的工业级应用仍需持续探索。第三，现有研究多聚焦于制造环节的孤立问题，而实际生产要求对材料、工艺与设备间的相互依存性进行系统性研究。第四，当前生产效率不足，生产速度受限，亟需构建全流程自动化的连续生产体系以突破产能瓶颈。最后，计算机辅助工具如有限元分析与机器学习虽能优化工艺参数、缩短研发周期，但其在环境评估与生态优化方面的应用尚未充分开展。这些挑战的协同解决是推动干电极技术从实验室走向产业化的关键。

Green and economically viable dry-electrode manufacturing for high-energy-density lithium batteries

赵燕兰特聘教授简介：工学博士，硕士生导师。2023年8月到贵州大学资源与环境工程学院从事教学科研工作。以固体废物回收及资源化为主要研究方向，先后在基于废旧锂电池资源化的多功能材料设计、电池回收过程污染物防控、新能源器件研发等方面进行了大量研究。联系邮箱：zyl729@gzu.edu.cn。本课题组每年可招收2-3名硕士研究生，欢迎感兴趣的同学联系。

何向明教授简介：清华大学核能与新能源技术研究院新型能源与材料化学研究室主任，研究员/博士生导师，科睿唯安高被引学者。聚焦锂离子电池及其关键材料研究及工程化近30年。重点围绕锂离子电池的电性能、一致性、安全性及可靠性等关键性能，以材料化学为核心，通过多学科协同的创新，解决关键材料、关键设计、制造技术及关键测试评估技术问题。

曹堃，贵州大学资源与环境工程学院2024级硕士研究生，主要研究锂离子电池干法电极制造技术。目前以第一作者发表SCI论文一篇。