粘合剂纤维化推动干法电极发展，华中科技提升锂电性能

第一作者：何仁杰

通讯作者：谢佳*

单位：华中科技大学

电极对锂离子电池的整体性能起着至关重要的作用。目前，大规模电极生产主要依赖成熟的湿法电极技术。然而，湿法电极的生产过程中不仅需要使用昂贵且有毒的N-甲基吡咯烷酮（NMP）作为溶剂，还包含高能耗的电极干燥环节。此外，湿法电极在厚电极中面临着严重的机械稳定性差的挑战。为了克服湿法电极的高成本、高能耗及厚电极机械稳定性差的挑战，干法电极（DP）技术逐渐引起了广泛关注。DP电极在生产制备过程中不使用有毒的溶剂，且无需干燥流程，能有效地实现“降本增效”，科研界和产业界将其视为一种极具潜力的未来规模化电极制备技术。DP电极的制备策略通常包括粉末压制、干法喷涂沉积、3D打印和粘合剂纤维化。其中，粘合剂纤维化与辊对辊工艺具有很高的兼容性，被认为是最有前途的DP电极技术之一。研究表明，通过粘合剂纤维化制备的DP电极具有高的压实密度、高的循环稳定性和强的耐久性。然而，尽管DP电极展现出明显优势，目前在倍率性能和机械性能方面仍难以满足大规模实际应用的需求。

近日，来自华中科技大学的谢佳教授，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Flour-Infused Dry Processed Electrode Enhancing Lithium-Ion Battery Performance”的观点文章。该观点文章采用粘接剂纤维化策略制备了1 wt.%的面粉作为部分粘接剂的干法电极（DP-1%F），DP-1%F电极展现出优异的机械稳定性、倍率性能和循环稳定性。文章从动力学特性和材料结构演化角度对DP-1%F电极性能提升的原因进行了分析。

以聚四氟乙烯(PTFE)为粘结剂，通过粘结剂纤维化法制备干法电极（DP）。首先将材料均匀混合，然后通过球磨将其变成小块。随后，在剪切混合和冷压后，材料转变为自支撑电极。在最后的热压步骤之后，将自支撑电极附着在涂碳铝箔上，得到干法电极。为了提高干法电极的性能，根据面粉在整个电极中的质量比例，用面粉代替部分PTFE，得到DP-0%F、DP-1%F和DP-2.5%F电极。

干法电极的表面平整，材料分布均匀。横截面形貌表明DP电极均具有丰富的 PTFE 网络。不同面粉含量的DP电极中电极材料的分布都是均匀的。而湿法电极的 SEM 形貌显示电极中的导电剂和活性材料分布不均匀。通过二维拉曼测试可知面粉主要填充在活性材料之间的孔隙中。应力应变测试表明DP-1%F电极具有高的机械稳定性和高的柔韧性。

在层状材料（LCO和NCM811）体系中。DP-1%F电极均展现出最优异的动力学性能和循环稳定性。经过 560 次循环后，LCO-DP-1%F 电极的放电容量为 112.1 mAh g^-1，容量保持率为 79.2%。即使在超高面载量下（89.1 mg cm^–2），LCO-DP-1%F 电极也表现出出色的循环稳定性。NCM811–DP–1%F在低倍率（0.5C）和高倍率（2C）下均展现出优异的循环稳定性。

BET和Nano-CT结果表明，加入面粉的DP电极主要形成大孔，降低了电极的曲折度，从而促进了锂离子的快速传输，赋予了DP-1%F电极快速的动力学特性。DRT结果显示，在充放电过程中，DP-1%F电极具有高的界面稳定性和快速的电荷转移过程。循环过程中的dQ/dV结果和循环后的XRD、形貌分析证明适量的面粉（1 wt.%）引入能够有效抑制干法电极中正极材料的不可逆相变和晶内/晶间裂纹的发展。这与DP-1%F电极强的机械稳定性和快速的动力学行为密不可分。

R. He, W. Zhong, C. Cai, S. Li, S. Cheng, J. Xie, Flour-Infused Dry Processed Electrode Enhancing Lithium-Ion Battery Performance. Adv. Energy Mater. 2024, 2402109