I. Analisi della tecnologia di preparazione dell'elettrodo a secco
1. Introduzione ai processi a secco e a umido e confronto dei materiali
Il tradizionale processo a umido prevede la miscelazione del materiale attivo, dell'agente conduttivo e del legante in un solvente in rapporti specifici, quindi il rivestimento della miscela sulla superficie del collettore di corrente tramite un dispositivo di rivestimento a fessura-mediante calandratura.
Il processo a secco prevede la miscelazione a secco-di particelle attive e agenti conduttivi in modo uniforme, l'aggiunta di un legante, la formazione di una pellicola auto-supportante attraverso la fibrillazione del legante e infine la calandratura sulla superficie del collettore di corrente.
2. Processo di produzione del film secco
2.1 Processo di preparazione a secco-della pellicola autoportante
I metodi con film secco includono la fibrillazione del legante e la spruzzatura elettrostatica, dove la fibrillazione del legante è la tecnica tradizionale. La spruzzatura elettrostatica ha prestazioni inferiori alla fibrillazione del legante in termini di successiva lavorabilità, stabilità di adesione, flessibilità dell'elettrodo e durata.
Fibrillazione del legante: la polvere del materiale attivo e l'agente conduttivo vengono miscelati, viene aggiunto un legante PTFE e viene applicata un'elevata forza di taglio esterna per fibrillare il PTFE, legando la polvere della pellicola dell'elettrodo. La miscela viene quindi estrusa in una pellicola auto-portante.
Spruzzatura elettrostatica: il materiale attivo, l'agente conduttivo e le particelle leganti sono pre-miscelati con gas ad alta-pressione. La polvere viene caricata negativamente tramite una pistola a spruzzo elettrostatica e depositata su un collettore di corrente in lamina metallica caricato positivamente. Il collettore rivestito di legante-viene quindi pressato a caldo-; il legante fuso aderisce ad altre polveri e viene compresso in una pellicola autoportante.
2.2 Principio della tecnologia del processo a secco della fibrillazione
La fibrillazione trasforma il PTFE in fibrille sotto la forza di taglio esterna. A causa delle basse forze di van der Waals del PTFE e dell'impilamento lento, le forze di taglio convertono gli agglomerati in fibrille che formano una polvere di elettrodi di legame di rete.
La temperatura e il taglio sono fattori critici che influenzano la fibrillazione del PTFE. Al di sopra dei 19 gradi, il PTFE passa da un sistema cristallino triclino a quello esagonale, ammorbidendo le catene molecolari e consentendo la fibrillazione.
La realizzazione della pellicola di fibrillazione- precede la calandratura degli elettrodi. Le apparecchiature di fibrillazione tradizionali includono mulini a getto, estrusori a vite e mulini aperti.
Dopo un'accurata miscelazione del PTFE e del materiale attivo, la miscela viene alimentata in una macchina per fibrillazione. Sotto la pressione del rullo forma una pellicola auto-portante. I dati sperimentali mostrano che velocità di alimentazione inferiori aumentano l'impedenza della pellicola dell'elettrodo, mentre una maggiore forza di calandratura riduce l'impedenza.
II. Elettrodo secco o umido: vantaggi e svantaggi
1. Costi inferiori: riduzione del 18% dei costi di produzione
Il processo a secco prevede meno passaggi. La produzione di massa riduce i costi di produzione delle celle del 18% (0,056 RMB/Wh). Nella lavorazione a umido, il rivestimento/essiccazione e il recupero dei solventi rappresentano rispettivamente il 22,76% e il 53,99% dei costi di attrezzature, manodopera, strutture ed energia. Il processo a secco sostituisce il rivestimento con impasto liquido con la formazione di film autoportante-, eliminando il solvente NMP, l'essiccazione degli elettrodi e il recupero del solvente-riducendo significativamente i costi.
Il processo a secco è più ecologico-e scalabile. L'NMP tossico (N-metilpirrolidone) richiede il riciclaggio ad alta intensità energetica-nei processi a umido. La lavorazione a secco-senza solventi semplifica i flussi di lavoro, riduce l'ingombro delle apparecchiature e consente la produzione di elettrodi su larga-scala.
2. Maggiore densità del materiale attivo: aumento della densità di energia del 20%.
La fibrillazione in PTFE consente una morfologia dell'elettrodo secco più uniforme rispetto agli elettrodi bagnati. L'evaporazione del solvente nella lavorazione a umido crea vuoti tra il materiale attivo e gli agenti conduttivi, riducendo la densità di compattazione. Senza essiccazione, gli elettrodi asciutti eliminano i vuoti, garantendo un contatto più stretto con le particelle.
Gli elettrodi a secco raggiungono una densità di compattazione più elevata con meno crepe/micropori-:
- LFP: 2,30 g/cm³ → 3,05 g/cm³ (+32.61%)
- NMC: 3,34 g/cm³ → 3,62 g/cm³ (+8.38%)
- Anodo di grafite: 1,63 g/cm³ → 1,81 g/cm³ (+11.04%)
Un contenuto di materiale attivo più elevato per volume consente una maggiore densità di energia.
Le batterie a secco raggiungono una densità energetica superiore del 20% in condizioni identiche. I dati Maxwell mostrano che gli elettrodi secchi superano i 300 Wh/kg, con un potenziale di 500 Wh/kg.
Gli elettrodi asciutti supportano limiti di spessore maggiori (30 µm–5 mm rispetto a 160 µm bagnati), migliorando la capacità areale e la compatibilità con diversi materiali attivi.
3. Prestazioni elettriche superiori
I test di laboratorio confermano che le batterie a processo-secco eccellono in termini di ciclo di vita, durata e impedenza. La rete di fibrille migliora la stabilità del materiale e le prestazioni elettriche.
Nella lavorazione a umido, 500 cicli accumulano stress interno nelle particelle attive, causando crepe trasversali-che riducono le prestazioni della batteria. Nella lavorazione a secco, la rete di fibrille riveste i materiali attivi, mantenendo l'integrità strutturale dopo 500 cicli con crepe superficiali minime. La struttura a rete sopprime inoltre l'espansione del materiale attivo, previene il distacco delle particelle dai collettori di corrente e migliora la stabilità e le prestazioni elettriche.
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