電動汽車滲透率的提高以及光伏、風電等綠色電力的快速發(fā)展，帶來了對鋰離子電池的大量需求。未來，鋰離子電池的需求和實際裝機容量將迅速增加至TWh量級。目前的電池制造技術(shù)仍基于試錯、一些專有技術(shù)和個人專業(yè)知識等，電極制造性能在電池制造過程中更為明顯。

促進鋰離子電池電極制造的技術(shù)進步可以提高電池性能、質(zhì)量、安全性和工藝可持續(xù)性，以支持更高質(zhì)量和更大規(guī)模的鋰離子電池的開發(fā)?？朔壳半姌O制造中面臨的瓶頸需要關(guān)注材料、制造技術(shù)、在線工藝計量和數(shù)據(jù)分析。

 

電極制造工藝分析及發(fā)展趨勢

目前市場上的鋰離子電池電極制造是通過濕法制造的。它是通過將電化學活性物質(zhì)、粘合劑、導電劑和揮發(fā)性溶劑制備成漿料并將其涂覆在金屬箔集電器上，然后干燥和軋制而制成的。這種電極制造工藝在生產(chǎn)效率、一致性和可擴展性方面具有優(yōu)勢，并已成為主流的電池電極制造技術(shù)，這在一定程度上導致鋰離子電池的制造成本顯著降低。

在這樣的有利條件下，很容易忽視濕電極制造技術(shù)的技術(shù)障礙，包括無法滿足高能電池對厚電極的需求、孔隙率的增加以及配方中活性材料的比例等，這最終反映在電池的各種性能之間的折衷中，反之亦然。

 

 

此外，在電極漿料制備、涂覆、干燥和壓延的關(guān)鍵步驟中，對電極微觀結(jié)構(gòu)演變的影響也不同。最近，鋰離子電池電極的開發(fā)和優(yōu)化并沒有相對較少的前期設(shè)計和預(yù)測能力或在線計量能力，并且在很大程度上依賴于反復(fù)試驗。

最近，一些新的電極制造技術(shù)正在出現(xiàn)，可以實現(xiàn)電極制造的模塊化或更智能的電極制備。通過使用先前的設(shè)計參數(shù)來預(yù)測后續(xù)電極制造過程，并實現(xiàn)在線測量，以不斷調(diào)整后續(xù)電極制造工藝參數(shù)。

這些新技術(shù)能夠更好地對準電極材料，并充分利用電化學活性材料的固有財產(chǎn)進行電極制造設(shè)計。這些新技術(shù)主要使用機器學習來指導快速電極制造技術(shù)。

 

鋰離子電池電極材料顆粒結(jié)構(gòu)創(chuàng)新技術(shù)

主要表現(xiàn)為正極材料顆粒結(jié)構(gòu)的變化，材料的低電導率、緩慢的固態(tài)擴散、裂紋等影響電池的性能。多年來，已經(jīng)實施了用于改性活性材料的顆粒結(jié)構(gòu)的各種創(chuàng)新技術(shù)。這些技術(shù)包括表面涂層、摻雜、晶界強化、工程二次粒子、單晶形態(tài)等。

表面涂層可以提高二次顆粒的結(jié)構(gòu)強度，使材料能夠?qū)崿F(xiàn)更長的循環(huán)壽命和更高的容量保持率。三元材料中常見的共沉淀技術(shù)在合成具有不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的二元顆粒方面取得了巨大成功。

 

 

近年來，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一次顆?？梢詾殇囯x子提供更快的固態(tài)擴散路徑，以提高電池速率性能，并且一次顆粒的徑向排列也有利于減少循環(huán)過程中體積變化引起的機械應(yīng)力的影響。在電極制造技術(shù)中，材料的單晶形態(tài)有助于消除微裂紋的形成，并保證電池材料的更長循環(huán)壽命。

盡管在陰極材料的結(jié)構(gòu)工程方面取得了巨大的成功，但大多數(shù)陰極活性材料顆粒具有低的電導率。在電極制造過程中，需要添加導電添加劑以提高導電性，但傳統(tǒng)的濕法工藝不能確保導電劑在電子滲透網(wǎng)絡(luò)形成過程中的均勻分布。合成活性材料和導電劑的復(fù)合顆粒已成為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的新方法。

事實證明，這些材料的顆粒結(jié)構(gòu)改性技術(shù)可以有效地解決電極制造微觀結(jié)構(gòu)中帶來的問題。目前，合成高鎳正極材料的單晶AM顆粒已成為行業(yè)發(fā)展趨勢。此外，通過建立模型，促進了對共沉淀合成過程之間的關(guān)系以及產(chǎn)品與性能之間的關(guān)系的理解。

 

機器學習在電極制造過程中的應(yīng)用

鋰離子電池生產(chǎn)過程包括各種連續(xù)和不連續(xù)的過程，涉及化學、物理、電化學和熱特性。因此，生產(chǎn)過程中的不同工藝階段相互依賴。在鋰百強制造商中，傳統(tǒng)的鋰離子電池制造過程控制步驟過程數(shù)據(jù)確定、分析和控制方法主要源自定性分析，這需要大量時間和精力進行調(diào)試。

 

 

人工智能和機器學習為闡明鋰離子電池制造過程中復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的過程之間的關(guān)系提供了強大的工具。它有可能使研究人員能夠?qū)ο嚓P(guān)的制造過程進行定量、系統(tǒng)的分析和評估，并更有效地為制造業(yè)提供建議。通過機器學習技術(shù)改進鋰離子電池生產(chǎn)過程需要一個閉環(huán)框架，機器學習也面臨一些挑戰(zhàn)。

 

結(jié)論

鋰離子電池是實現(xiàn)全球脫碳目標的關(guān)鍵因素。當需求達到TWh或更高時，在性能和成本方面對現(xiàn)有生產(chǎn)工藝提出了新的挑戰(zhàn)，并需要現(xiàn)有生產(chǎn)和制造技術(shù)的創(chuàng)新。在電極制造方面，有可能建立電極結(jié)構(gòu)的知識體系，并了解其如何受到工業(yè)化的影響，這將有助于掌握更清潔、更高效和節(jié)能的電極制造新技術(shù)。

未來的電極制造技術(shù)可分為增量改進和顛覆性創(chuàng)新。如復(fù)合陰極材料合成技術(shù)、新型高效電極涂層技術(shù)、干電極制造技術(shù)以及機器學習的應(yīng)用等。