王岩教授、潘恒教授团队 Joule：卷对卷干法制造电极助力快充电池

第一作者：刘旸韬，巩向涛，Chinmoy Podder

通讯作者：王岩*，潘恒*

单位：伍斯特理工学院，德州农工大学

随着锂离子电池尤其是新能源汽车需求的快速增长，快速充电和降低成本成为了电池研究新的焦点。传统锂离子电池电极生产工艺使用有毒害有机溶剂（NMP），烘干和溶剂回收过程中需要消耗大量能源，这些都成为制约锂离子电池市场的扩张的因素。在传统湿法涂布的过程中溶剂的挥发过程中同时毛细效应也会造成材料分布的不均匀，大量的不连续微孔的结构也不利于电极的快充。为了克服传统湿法涂布的这些缺点，干法电极制造成为了下一代锂离子电池制造的重要研究对象。现阶段不同干法制造的方法在电池性能和量产等方面都面临挑战。因此对干法电极的结构，原理等进行深入研究至关重要。

近日，来自伍斯特理工学院的王岩教授与德州农工大学的潘恒教授合作，在国际知名期刊Joule上发表题为“Roll-to-roll solvent-free manufactured electrodes for fast-charging batteries”的研究论文。

该文章介绍了一种卷对卷干法电极制造方法并结合模拟计算深入分析了干法电极与传统湿法涂覆电极的微观结构差异。该方法具有成本较低，有较高的量产潜力等优势。相比于传统工艺电极，干法制造的电极在微观结构上具有更多低迂曲度的通孔，能够有效提升电解液浸润性和缩短锂离子传输路径以提升快充倍率性能 （4C充电条件下容量保持率近70%）。同时在干法混合过程中，黏附于活性物质颗粒表面的粘结剂/导电碳能对活性物质表面进行一定保护作用，有助于增强电池循环寿命。

干法电极具有独特的围观结构。在干法混合后，粘结剂、导电剂会黏附在活性材料的表面，形成部分覆盖的包覆层。由于混合后粘结剂、导电剂的分布，干法电极在活性物质颗粒之间具有较大尺寸的连续通孔。相对的，湿法电极由于溶剂的挥发，粘结剂/导电剂填充在活性物质颗粒之间形成不连续的微孔结构。并且由于毛细效应，湿法涂布电极容易出现粘结剂在厚度方向的迁移导致成分分布不均匀。

由于独特的微观结构，干法电极有更少纳米微孔并拥有更多的微米空隙。这样的结构为干法电极带来了远低于湿法电极的迂曲度（干法Vs湿法: 正极2.74 Vs 3.8,负极 3.28 Vs 3.75）。较低的迂曲度有利于电解液的浸润以及锂离子的传导，从而提升倍率性能。单独测试的湿法涂布纯粘结剂/导电剂对照组显示了远高于电极的迂曲度，结合基于纳米X射线断层技术的3D模拟计算，可以得出在湿法电极中填充于活性物质颗粒之间疏松多孔的粘结剂/导电剂相是造成湿法电极迂曲度高的关键因素。

独特的微观结构给干法电极带来了更好的倍率性能。干法电极组装的单层软包电池对比湿法电极在4C快充的条件下拥有52%的容量提升。在干法/湿法正负极混装电池测试中，混装的电池倍率性能与模拟结果一致，均优于对照组的纯湿法电极。在电池循环测试中，干法电极软包电池在350圈的容量保持率略优于湿法电极电池。在混合动力脉冲能力测试(HPPC)和微分容量曲线分析中，干法电极在高倍率充电中也显示出较低的阻抗和极化。

通过高分辨TEM测试，可以发现循环过后湿法NMC正极表面晶格出现相变，由层状转化为不规则尖晶石状，从而导致了循环性能的衰减。得益于粘结剂/导电剂的表面覆盖，干法电极中的NMC颗粒表面依旧保持了较好的层状结构。从循环后电极的XPS表面分析也可以看出，干法电极具有更稳定的CEI/SEI层，有助于电池的循环稳定性。

本文介绍了具有量产潜力的低成本卷对卷静电喷涂干法电极制造方法。从微观结构深入研究对比了新型干法电极和传统湿法电极。证实了填充在活性物质颗粒间的多孔粘结剂/导电剂相是造成湿法电极高迂曲度的根本原因。由于较低的迂曲度，干法电极在高倍率快充的情况下相对于传统湿法电极有较大优势。干法混合带来的部分表面包覆也能帮助电极提升循环寿命，减少电解液对表面侵蚀。该工作不但介绍了创新的干法电极制造工艺，对电极的研究分析也能帮助基于不同工艺的干法电极研究。

Roll-to-roll solvent-free manufactured electrodes for fast-charging batteries

王岩 教授 于2010年底加入美国伍斯特理工学院机械工程系，现为William Smith Foundation Dean 讲座教授。王岩课题组主要研究工作包括锂离子电池正极材料，固态电解质以及固态电池，锂离子电池的制造，设计以及回收，基础电化学。王岩教授在天津大学电化学工程获得的本科以及硕士学位，在加拿大温莎大学获得的博士学位，在美国麻省理工学院做的博士后。主持参与美国DOE、USABC以及NSF等多项基金项目，以第一/通讯作者在Joule, Matter, Chem, Nano Letters, Advanced Energy Materials, Nano Energy, Energy Storage Materials, Green Chemistry等国际期刊上发表论文100余篇，并拥有10多项专利，共同成立两家公司，多项研究成果已经被公司授权。

潘恒 教授 现任美国德州农工大学机械系副教授，在2020年加入德州农工大学之前于密苏里科技大学机械与航空系任助理教授。潘恒教授课题组主要研究方向包括先进制造，增材制造，干法制造锂电池，激光微纳加工，以及制造过程的建模和基础研究。潘恒教授在浙江大学机械工程获得本科学位，密苏里科技大学制造专业获得硕士学位，在加州大学伯克利分校机械系获得博士学位。曾在美国劳伦斯伯克利国家实验室任博士后以及美国应用材料公司任工程师。于2019获得美国NSF CAREER Award. 在Advanced Materials, Joule, Advanced Energy Materials, Small, Journal of Chemical Physics 等国际期刊发表论文50余篇，以及10余项发明专利。

刘旸韬：博士毕业于伍斯特理工学院，导师为王岩教授。主要研究方向为锂离子电池干法工艺，电池微观结构，新型电池材料。以第一作者及共同第一作者在Joule, Small, Cell Reports Physical Science，Advanced Materials Technology, iScience等国际期刊发表文章6篇。

巩向涛: 美国德克萨斯A&M大学2020级博士研究生，导师为潘恒教授。主要研究方向为干法工艺在锂离子电池/能源设备中的应用。以第一作者及共同第一作者在Joule，solar energy 期刊发表论文2篇。

Chinmoy Podder: 2023年5月博士毕业于美国德克萨斯A&M大学，导师为潘恒教授。现为AM batteries 工程师，主要研究方向为干法工艺在锂离子电池中的应用以及激光微纳加工技术，以第一作者及共同第一作者在Joule, small, ACS AMI期刊发表论文3篇。

王岩课题组主要研究工作包括锂、钠离子电池正极材料，固态电解质以及固态电池，锂离子电池的制造，设计以及回收。课题组已经发表100多篇文章 （Joule, Matter, Chem, Nano Letters, Advanced Energy Materials, Nano Energy, Energy Storage Materials, Green Chemistry等），以及10多项专利，共同成立两家公司，多项研究成果已经被公司授权。具体信息请参考以下课题组网站： http://labs.wpi.edu/eel/