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干法工艺:极片制造“化繁向简”

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11月14日,嘉拓智能副总裁周研在2022高工锂电年会上发表了“干法电极制造工艺及设备”的主题演讲,分享对干电极制备工艺的思考与洞见。

2022-11-28 16:33:08

一些企业在电极制备上寻求“化繁向简”之路,开始尝试干法制备极片。

当工艺为重构制造逻辑提供可能时,装备便成为产业活力的迸发之处。在锂电池制造的前段,变化悄然发生。一些企业在电极制备上寻求“化繁向简”之路,开始尝试干法制备极片。

干电极并不是新概念,它在1982年欧美的实验室中便得以应用。但行业对干电极的集中关注,源于3年前特斯拉的一场“密谋”。

2019年,特斯拉以超55%的溢价,用市值2.35亿美元(折合约15亿元)的股票购入Maxwell,该公司的核心技术即干电极技术。次年,特斯拉便在电池日上推出4680圆柱电池,称将在全新的圆柱电池体系中应用干电极技术。

干电极技术在应用于正负极材料的过程中,既能省去溶剂,又能加强极片性能优势,且因流程化简,设备投入更少。相对的,干法制备电极工艺在产业化上,目前仍与湿法存在差距。

今年初,特斯拉位于加利福尼亚州弗里蒙特的试点工厂生产出了第100万块4680电池。4680圆柱电池产业化的“飓风”席卷而来,攻克干电极技术难关迫在眉睫。

11月14日,嘉拓智能副总裁周研在2022高工锂电年会上发表了“干法电极制造工艺及设备”的主题演讲,分享对干电极制备工艺的思考与洞见。

电池极片制备:干VS湿

锂电池制造的前段,湿法制极的工艺现已十分成熟,混料、涂布、烘干、NMP回收、辊压,极片从干到湿再到干。湿法工艺较为简单,有了“湿”的状态加持,浆料流动性好且气泡较少,简单的操作极大程度提高了极片制备的效率,为动力电池迈向TWh时代打下坚实基础。

相较湿法,干法工艺的革新具备4大优势:

制作流程化简

干法制备极片的核心,在于对“湿”的抛弃。干法不使用粘结剂与溶剂,化简了湿法中的浆制、涂布烘干和溶剂回收过程。

提高能量密度

干法制备的电极可具备更高的压实密度,容纳更多活性物质。并且,在对溶剂的逐步舍弃过程中,负极材料的融合更好,便于负极补锂,减少首次循环容量损失。目前,干电极能量密度超过300Wh/kg,远期可达到500Wh/kg。

适配电池体系

动力电池材料体系逐渐向高镍掺硅发展。干电极技术既可以减弱湿度对高镍正极的性能影响,又能对硅基负极的膨胀有更强的承受能力。

延长使用寿命

因不用粘结剂,电池使用寿命得到了明显改善。

走向“极简”的可能

选择的艰难,是因在应然与容易之间徘徊。比较两种方法,湿法制备极片现阶段工艺成熟;而干法量产是一种“极简”的可能。

关于干电极制备的愿景是美好的:更小的厂房、设备面积,更少的能源消耗,更低的电池成本,但在商用上落实对“湿”的抛弃并不容易。

1991年索尼探索湿法商用,如今湿法成为电极制备的主流,正是为规避干法制备存在的可行性差、效率低、一致性差等问题。

然而,应该看到,关于干电极制备,变化在悄然发生。行内4680圆柱产业化飞速推进,在此关口,要规模的扩充,更要工艺的升级。随着干电极制备工艺的成熟,更有可能看到指数级的增速发生。

作为国内锂电装备的代表企业,嘉拓智能也在加快推进干电极制备工艺的研发与应用。周研表示,嘉拓的干法制备探索始于2015年,到成立干法实验室,再到逐步实现主流电池材料成膜验证。围绕干电极制备工艺的成果相继面世,嘉拓智能的干电极制备工艺也从始于质疑,稳步成长,到如今已有同行者并肩。

给制造以生命

装备为媒,作为人体的延伸,装备工艺的迭代,应赋予制造更强的生命力。只看到产能目标,通过机械化复制的方式朝目标追赶,是否是一种本末倒置?对干电极制备的探讨,必然绕不开源自装备的底层革新。

在“化繁向简”的干电极的制备道路上,嘉拓智能已取得阶段性的成果。

从2015年对干法工艺展开相关调研,到2020年成立干法团队进行研发生产,基于平台化的开发策略,嘉拓智能自2021年11月开始与客户进行干法工艺的验证。

至今,嘉拓智能已在10个月的时间内与20余家电池及汽车厂商进行了100+次实验,并在2022年实现了多套干法电极相关设备的销售。

嘉拓智能的干电极生产装备,主要包括混料、处理&成膜、减薄、精轧&裁边以及复合收卷。

在干法成膜厚度及均匀控制难点上,嘉拓智能的解决方案是双钢带系统成型和多级辊压。

电极膜成型工艺设备——双钢带系统

通过双钢带辊压技术实现干法电极自支撑膜的制造,钢带系统可以作为自支撑电极膜的载体,减少电极膜在辊对辊制造、高速运动过程中的断带现象。

电极膜成型减薄工艺设备——多级辊压

通过辊压技术将粉料辊压成厚膜,经多次热压减薄后收卷或与集流体进行复合,保证膜片不断带的情况下减薄至指定厚度并提高压实密度。

干电极技术未来可期,随着干电极工艺的发展,可提升电极能量密度至500Wh/kg,而且将以2年左右为一个周期,以25%的幅度提升电池能量密度,同时成本持续下降幅度为10%,突破三元锂电池能量密度的瓶颈。

尽管现阶段还无法以湿法量产的成绩要求干法,但工业的奇迹应伴随“从来如此便对吗?”的质疑。面向产业新周期的挑战,更应有不破不立的勇气,去推进一场刀刃向内的自我革新。

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