傳統的鋰離子電池電極生產工藝是首先將粘結劑溶解在NMP之中配置膠液，然後再將膠液加入到正負極和導電劑粉料之中，充分分散後進行塗布，這種方法優點是粘結劑分散較為均勻，缺點是由於塗布後的電極含有大量的NMP溶劑，因此需要透過烘乾來去除溶劑，這導致溼法塗布工藝一方面需要消耗大量的溶劑，另一方面也會消耗大量的烘乾能源。

幹法工藝不採用溶劑，直接將正負極活性物質、導電劑和粘結劑混合，然後塗布再電極上，因此不消耗溶劑，也不需要烘乾，因此在成本上更加具有優勢，近年來得到了較多的關注。

近日，

Dong-Won Park

（第一作者，通訊作者）等人針對採用

PVDF

粘結劑的幹法塗布工藝引數對電

極

效能的影響進行了研究。

發現熱壓時間會對材料的效能產生顯著的影響，時間過長或過短都不利於電池效能的發揮。

實驗作者採用LTO材料作為研究物件，電極配方為80%的LTO、10%的炭黑導電劑和10%的PVDF粘結劑， 混合後的電極粉末直接噴塗在集流體上，然後在175℃和6kg/cm2的壓力下處理不同的時間。上述電極與金屬鋰組成扣式電池，對不同工藝條件下製備的電極效能進行了測試。

下圖為分別處理5min、30min、45min、60min和90min的電極在0。2C倍率下，1。0-2。5V範圍內的充放電曲線。從圖中能夠看到熱壓時間會對電極的效能產生顯著的影響，熱壓5min的電池放電容量僅為24mAh/g，而隨著熱壓時間增加到30、45和60min，電極的容量發揮顯著升高，分別達到113、131和162mAh/g，但是如果進一步將熱壓時間提升至90min，材料的容量又降低到了127mAh/g。

下圖為不同的熱壓時間下製備的LTO電極的形貌，從圖中能夠看到在導電劑和粘結劑能夠較為均勻地分散在LTO顆粒的周圍，但是在分散時間不充分的條件下，部分的粘結劑形成的膠團出現在顆粒的周圍，這些膠團會阻礙電子和離子的擴散，從而造成電極的阻抗增加。但是當熱壓時間超過90min後，PVDF粘結劑由於再結晶，因此重新發生團聚，從而導致粘結劑分散不均，從而導致電極的電效能下降。

下圖中作者對不同條件下製備的電極的熱特性進行了分析，從圖中能夠看到所有的樣品在250℃以下都是穩定的，沒有出現失重， 材料主要的失重發生在兩個區域，一個是270-425℃，主要是LTO材料表面有機物和炭黑的分解，第二個失重發生在425℃-560℃，對應的主要為PVDF的分解。在150℃附近出現了一個吸熱峰，對應的為PVDF粘結劑的融化，因此在這裡作者將電極的熱壓溫度控制在175℃，以保證PVDF粘結劑融化。

作者採用交流阻抗對上述的電極的阻抗特性進行了分析，結果如下圖所示，並採用下圖中所示的等效電路進行了分析，等效電路擬合結果如下表所示。可以看到電極的反應過程，主要是受到電荷交換阻抗和固相擴散的影響。相比之下，熱壓60min的電極具有最小的阻抗特徵，表明電極反應的動力學特性更好。作者根據下式1和2計算了不同電極的擴散係數，其中R氣體常數，T為絕對溫度，A為電極的表面積，n為反應中轉移的電子數，F為法拉第常數，C為鋰的濃度。Warburg阻抗係數σ可以根據下式2進行求解。

電極的交換電流密度可以採用下式3進行計算，從下表中能夠看到熱壓60min的電極無論是在介面阻抗，還是在擴散係數，以及交換電流密度方面，相比於其他條件下製備的乾電極都更加具有優勢，因此使得在次工況下製備的電極具有更好的效能。

幹法電極工藝能夠節省大量的溶劑成本，減少電極製備過程中的耗能，有利於降低鋰離子電池的生產成本，Dong-Won Park的研究表明幹法工藝中的熱壓時間會對PVDF粘結劑的分佈產生顯著的影響，進而影響電極的效能，因此在幹法電極的生產過程中需要對熱壓時間進行控制。

本文主要參考以下文獻，文章僅用於對相關科學作品的介紹和評論，以及課堂教學和科學研究，不得作為商業用途。如有任何版權問題，請隨時與我們聯絡。

Novel solvent-free direct coating process for battery electrodes and their electrochemical performance， Journal of Power Sources 306 （2016） 758-763，

Dong-Won Park, Natalia A. Canas, Norbert Wagner, K. Andreas Friedrich