KarlsruheInstitute of Technology (KIT)的研究人員已經(jīng)開發(fā)并成功測試了一種兩層電極同時涂覆和干燥的創(chuàng)新概念。干燥時間可縮短至20秒以下，相當(dāng)于平時生產(chǎn)時間的一半，減少到三分之一，電池?zé)o容量損失。在這一概念的幫助下，鋰離子電池的生產(chǎn)速度更快，成本更低。研究結(jié)果發(fā)表在《能源技術(shù)》雜志上。

多層電極截面的掃描電子顯微鏡:不同的活性材料用于層，并同時應(yīng)用。來源：Joyce Schmatz, MaP - Microstructures and Pores GmbH, and JanaKumberg, KIT

電動汽車將是未來交通的關(guān)鍵。這將導(dǎo)致對大功率廉價電池的需求不斷增長。在鋰離子電池中，電極層具有決定性的重要性，因為這些活性材料儲存能量。然而，涂層和隨后的電極干燥造成電池生產(chǎn)成本的大部分。降低成本的巨大潛力在于過程工程。

參考漿液的低溫- bib - sem顯微圖

以WilhelmSchabel教授和PhilipScharfer博士為首的薄膜技術(shù)(TFT)小組的研究人員已經(jīng)在這一領(lǐng)域進行了多年的研究。他們已經(jīng)成功地大大提高了涂覆速度，并開發(fā)了一種創(chuàng)新的干燥工藝?，F(xiàn)在，該團隊將涂層和干燥結(jié)合在一起。該研究結(jié)果發(fā)表在《能源技術(shù)》雜志上，主要作者是KIT的博士研究員Jana Kumberg。TFT在全球最大的電池研究平臺之一——Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe電化學(xué)儲能中心開發(fā)電極生產(chǎn)技術(shù)。

更便宜的生產(chǎn)

Schabel解釋說:“我們的工作表明，原則上，我們管理了生產(chǎn)電池所需的所有步驟，從而在未來不影響質(zhì)量的情況下以更低的成本生產(chǎn)電池。”在通常的電極干燥時間高達1分鐘，生產(chǎn)速度每分鐘100米以上，需要很長的干燥線。對于具有高鍍層重量的電極，這是很難實現(xiàn)的，而且非常昂貴。新概念是基于使用不同的活性材料，并同時應(yīng)用它們的想法。一層負責(zé)粘附，另一層負責(zé)特定容量。這種層狀結(jié)構(gòu)使制造在非常高的干燥速度，干燥次數(shù)縮短到三分之一。

插圖2電極測試:在3C快充情況下，快干多層和慢干單層容量無差異。正如所料，迅速干燥的單層表現(xiàn)出相當(dāng)大的損失。來源：Jana Kumberg, KIT

電極層的特性分布

盡管減少了干燥時間，沒有能力損失發(fā)生。電池的續(xù)航時間保持不變，也適用于所謂的3C循環(huán)，即20分鐘的快速充電。在他們的研究中，科學(xué)家們在陽極的厚度上應(yīng)用了不同的活性材料，因此不同的性能分布在電極層中。通過這種方式，電極可以定制，并具有更好的機械和電化學(xué)性能。“我們已經(jīng)取得了首批有希望的成果，”Schabel說?！艾F(xiàn)在，我們將致力于工業(yè)實施。”目前，該集團正致力于將同步概念轉(zhuǎn)化為工業(yè)規(guī)模。為此，它測試了純對流干燥與高性能噴嘴和激光干燥模塊。

圖3 活性材料的選擇以及混合過程對料漿的微觀結(jié)構(gòu)和干燥電極的微觀結(jié)構(gòu)有很大的影響。對該結(jié)構(gòu)的了解有助于理解活性物質(zhì)和添加劑之間的相互作用。因此，不同漿液在干燥前的微觀結(jié)構(gòu)通過低溫-寬離子束(BIB) -掃描電子顯微鏡(SEM)進行了說明，如圖所示?；钚圆牧虾驼辰Y(jié)劑建立的網(wǎng)絡(luò)在這些顯微照片中清晰可見。為了更好地理解，在每張概覽圖(紅色矩形)中突出顯示了各自漿體中CMC網(wǎng)絡(luò)形成的一些示例性結(jié)構(gòu)。

圖5 低溫bib - sem截面的制備過程如圖1所示。漿液被涂上一層，然后直接用氮泥漿凍結(jié)。用金剛石鋸和BIB在低溫條件下制備橫截面。在表面毛細管中的溶劑被升華而不改變非揮發(fā)性成分的結(jié)構(gòu)。

聯(lián)邦教育和研究部(BMBF)在不同的研究集群項目中提供超過500萬歐元的研究資金。Schabel說:“我們的研究表明，原則上可以將電池的生產(chǎn)速度提高兩到三倍?！爆F(xiàn)在，研究結(jié)果被轉(zhuǎn)移到其他材料上，并用于優(yōu)化poly - post鋰存儲集群內(nèi)鈉離子電池的電極。

來源Reduced Drying Time of Anodes for Lithium‐IonBatteries through Simultaneous Multilayer Coating, EnergyTechnology (2021). DOI: 10.1002/ente.202100367