特斯拉电池技术解析：干法电极

特斯拉的干法电极技术包括三个步骤：（i）干粉末混合，（ii）从粉末到薄涂层成型，（iii）薄涂层与集流体压合到，这三个步骤都没有溶剂。干法电极工艺具有可扩展性，能够适应当前的锂离子电池化学体系以及先进的新型电池电极材料。大量商用负极材料（如硅基材料和钛酸锂（LTO））以及正极材料（如层状三元NMC、NCA、LFP、硫），证明了干电极工艺的稳定性和普适性。采用Maxwell专有的干法工艺进行粉末混合，形成由活性材料、粘合剂和导电添加剂组成的最终粉末混合物，如图1a所示。将该粉末混合物挤出压延以形成连续的自支撑干涂层电极膜，电极膜还能够卷绕成卷状（图1b）。调整薄涂层电极膜的加工条件，可以控制材料负载量和涂层厚度，制备出多种干涂层电极结构。最后，薄电极层与集流体压合在一起，形成电池极片（图1c）。

图1 （a）粉末混合物，（b）成卷的薄电极层，（c）薄涂层与集流体压合的电极

这种干法电极工艺特点是工艺过程简单、电极更厚、无溶剂化。电极制造过程没有溶剂参与的固液两相悬浮液混合，湿涂层的干燥过程，工艺更简单，更灵活性。这种独特干法成型工艺不使用任何溶剂，是一种环境友好的绿色工艺，并节省了材料、时间和人工等生产成本。

由于湿法成型工艺使用了溶剂，与粘结剂形成粘结剂层，活性炭整个颗粒被粘结剂层包围，阻碍了活性炭颗粒之间以及与导电剂颗粒间的接触，电极导电性差，而且电极中残留的溶剂会与电解液发生副反应，导致超级性能下降，如容量降低、产生气体、寿命衰减等。而干法成型工艺过程中不使用溶剂，粘结剂是以纤维状态存在，活性炭颗粒之间以及与导电剂颗粒接触更为紧密，电极密度大、导电性好、容量高。另外，干涂层工艺生产的电极在高温电解液存在下的粘聚力和附着力性能更好。干法电极韧性好，密度大，容量高，碳粉不易脱落，循环寿命长。这种特性特别有利于高能量密度电极的高倍率性能。以NMC111为正极，石墨为负极，由于工艺不同，采用了不同的粘结剂，在等浓度下制备了两种类型的电极。0.1C的恒定电流将电池充电至100%SOC，然后在以不同能够倍率放电。在低倍率恒流放电条件下，两种涂层电极的电池放电容量均为105mAh，在0.1C放电时均能保持100%的容量。不同放电倍率测试结果表明，干涂层电极比湿涂层电极输出更大的功率，如图2所示。

图2 干法与湿法电极工艺电池性能对比

该电极工艺的核心技术就是电极配方和成膜的挤压技术与设备。他们将少量（约5-8％）细粉状PTFE粉末作为粘结剂，使涂层能够自支撑成膜，收成卷。

参考资料

[1] Hieu Duong, Joon Shin & Yudi Yudi， Dry Electrode Coating Technology， Maxwell Technologies, Inc.