干法电极制造技术：锂离子电池可持续生产的核心路径
引言：锂离子电池制造的技术转型需求
全球能源转型背景下，锂离子电池（LIBs）作为电动汽车与储能系统的核心组件，需求呈指数级增长。据世界经济论坛预测，2030 年全球锂离子电池需求将达到 2623 GWh / 年，而特斯拉 CEO 埃隆・马斯克更预测未来需求可能突破 10,000 GWh / 年。这种激增的需求不仅推动电池能量密度、循环寿命等性能指标的提升，更对制造工艺的可持续性提出了严苛要求 —— 传统湿法电极制造工艺已难以平衡成本、能耗与环保的三重目标，而干法电极制造技术正成为破解这一困境的关键。
自 1990 年索尼将锂离子电池商业化以来，湿法工艺凭借电极均匀性高、规模化成熟等优势长期主导行业。其核心流程是将活性材料、导电剂、粘合剂与 N - 甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂混合成 slurry，涂覆到集流体后经干燥、溶剂回收形成电极。然而，这一工艺存在固有缺陷：NMP 溶剂成本高昂且具有毒性，干燥与回收环节能耗占总能耗的 47%，且碳排放显著。在此背景下，干法电极制造技术（溶剂 - free 工艺）通过完全消除溶剂使用，成为下一代可持续制造的核心方向。本文基于《Engineering Dry Electrode Manufacturing for Sustainable Lithium-Ion Batteries》（batteries-10-00039-v3.pdf），系统剖析干法工艺的技术原理、优势、核心路径及未来挑战。
一、湿法电极制造工艺的固有局限性
湿法工艺虽为当前主流，但在成本结构、能源消耗和环境影响上的缺陷已成为行业可持续发展的瓶颈。这些局限并非技术优化可完全解决，而是源于 “依赖溶剂” 的核心特性。
1.1 成本结构：溶剂及回收环节的沉重负担
湿法工艺的成本压力主要集中在溶剂相关环节，形成 “采购 - 使用 - 回收” 的高成本链条。
溶剂采购成本：NMP 作为核心溶剂，在 1kWh 电池生产中消耗量约为 4.40kg，大规模采购价为 1.5-3.0 美元 / 升，仅溶剂成本就占电极制造总成本的 20%-30%。对于年产 10GWh 的工厂，年 NMP 采购成本可达 1.5 亿 - 3 亿美元。
回收系统成本：为满足环保要求，NMP 回收率需达 95% 以上，这需要投入昂贵的回收设备（蒸发器、冷凝器、提纯装置），占电池工厂总投资的 15%。同时，回收过程的运营成本高昂 —— 每回收 1kg NMP 需消耗 10kWh 电力，且设备维护费用占年运营成本的 8%-10%。
综合成本占比：统计显示，溶剂采购、干燥能耗、回收系统折旧及运营成本合计占电极制造总成本的 48%-50.2%，成为制约电池降本的核心因素。
此外，湿法工艺的长流程（混合、涂覆、干燥、回收、辊压等）需要更多设备和人工参与。数据显示，湿法工艺的直接人工工时为 511,871 小时 / 年，而干法工艺可减少至 441,021 小时 / 年，人力成本降低约 14%。
1.2 能源消耗：干燥与回收环节的能耗黑洞
湿法工艺的高能耗集中在两个关键环节，且难以通过技术优化显著降低。
干燥环节能耗：slurry 涂覆后需通过高温（80-120℃）干燥去除溶剂，这一过程能耗占总制造能耗的 30%。以 LiFePO₄电极为例，干燥时间需 24 小时，而 LiMn₂O₄电极同样需要 24 小时，长时间高温操作导致能耗居高不下。
溶剂回收能耗：回收 NMP 需通过蒸馏实现，能耗占总能耗的 17%。综合来看，干燥与回收环节的能耗合计占电池总制造能耗的 47%，生产 1kWh 电池在这两个环节的耗电量约为 42kWh。
这种高能耗不仅推高生产成本，还限制了工厂的能源效率提升。对于年产 1GWh 的电池工厂，湿法工艺的年能耗约为 42GWh，相当于 3.4 万吨标准煤的消耗量，即使采用可再生能源，也会占用大量绿电资源。
1.3 环境与安全风险：溶剂相关的多重危害
湿法工艺的环境影响贯穿 “溶剂生产 - 使用 - 回收” 全生命周期，且存在显著的安全隐患。
有毒物质排放：NMP 具有挥发性和生殖毒性，即使回收率达 95%，仍有 5% 的 NMP 以废气形式排放，长期暴露会导致人体呼吸系统损伤和生殖系统病变。研究显示，NMP 在涂层和干燥过程中的排放是电池工厂主要的有毒污染物来源。
碳排放显著：10kWh 电池的湿法生产流程（含溶剂生命周期）总碳排放约 1000kg，其中溶剂生产环节占 40%，干燥与回收环节占 60%。若按 2030 年全球 2623GWh 电池需求计算，仅湿法工艺就会产生约 2.6 亿吨 CO₂排放。
安全风险：NMP 属于易燃溶剂（闪点 95℃），在干燥车间存在燃爆风险，需投入额外成本构建防爆系统，进一步增加工厂投资。
此外，湿法工艺产生的废水含有 NMP 残留，处理成本高达 50 元 / 吨，给环境治理带来额外压力。
二、干法电极制造工艺的核心优势
干法电极制造工艺通过完全消除溶剂使用，从根源上解决了湿法工艺的固有缺陷，同时在电极性能上实现了意外突破，形成 “成本低、能耗少、污染小、性能优” 的综合优势。
2.1 成本优势：全流程成本结构优化
干法工艺的成本优势源于对 “溶剂链” 的彻底剔除，实现全流程成本缩减。
直接成本降低：省去 NMP 采购成本（占原材料成本 20%-30%），同时消除溶剂回收设备的投资与运营费用。综合测算，干法工艺可使电极总制造成本降低 10%-15%。对于年产 10GWh 的工厂，年成本节约可达 2 亿 - 3 亿元。
间接成本优化：干法工艺的短流程（混合、成型、辊压）减少了设备数量和占地面积，同等产能下工厂面积可缩减 30%，土地和维护成本降低 20%。此外，干法工艺无需防爆车间设计，工厂安全设施成本降低 15%。
长期成本优势：随着规模化生产（产能 > 10GWh / 年），干法工艺的单位成本可进一步降低 —— 设备折旧分摊减少，工艺稳定性提升降低废品率（湿法废品率约 2%，干法可降至 1.5%）。
2.2 能耗与环保优势：从高排放到近零污染
干法工艺在能耗和环保上的优势具有不可替代性，是实现 “零碳电池工厂” 的核心路径。
能耗显著降低：因省去干燥和溶剂回收环节，干法工艺总能耗较湿法降低 38%-40%。生产 1kWh 电池的干法能耗约为 26kWh，仅为湿法（42kWh）的 62%。对于年产 1GWh 的工厂，年节电可达 16GWh，相当于减少 13 万吨标准煤消耗。
碳排放大幅减少：干法工艺无溶剂相关排放，且能耗降低间接减少碳排放。数据显示，10kWh 电池的干法生产碳排放约 400kg，仅为湿法（1000kg）的 40%。若 2030 年全球 30% 的电池采用干法工艺，年减排 CO₂可达 1.2 亿吨，相当于减少 2000 万辆燃油车的年排放量。
无有毒物质排放：干法工艺完全消除 NMP 挥发，车间空气质量显著改善，操作人员健康风险降低，同时避免了含 NMP 废水的处理压力，环境治理成本降低 50% 以上。
2.3 电极性能优势：结构优化带来的性能提升
干法工艺不仅是 “绿色制造” 的选择，还通过结构调控提升电极性能，实现 “环保与性能” 的双赢。
致密度与能量密度：湿法工艺因溶剂蒸发，电极孔隙率较高（约 56%），而干法工艺通过机械压实，孔隙率可降低 4%-10%，活性材料占比提升，能量密度增加 5%-8%。例如，干法 NMC 电极的压实密度可达 3.5g/cm³，较湿法（3.2g/cm³）提升 9%。
机械强度与循环稳定性：干法工艺中粘合剂分布更均匀，电极机械强度显著提升。测试显示，干法 LCO 电极（含 5% PVDF）的机械强度达 148.8KPa，较湿法（84.3KPa）提升 76%，减少循环过程中的电极开裂风险。在循环性能上，干法 NMC111 电极 300 次循环后容量保持率达 80%，湿法电极约为 65%。
离子传输效率：干法电极的孔隙结构更均匀，锂离子传输路径更通畅，倍率性能提升。例如，干法 LFP 电极在 3C 倍率下的容量保持率达 70%，湿法电极约为 55%。
此外，干法工艺可实现更高的活性材料负载（>5mAh/cm²），减少电池层数，进一步提升系统级能量密度。
三、干法电极制造的核心技术路径
干法电极制造技术并非单一工艺，而是涵盖 “原料混合 - 成型 - 后处理” 的技术体系。目前成熟的技术路径主要包括干法喷涂沉积、粘合剂纤维化（Binder Fibrillation）和挤出成型，三种技术各有侧重，分别适配不同的应用场景。
3.1 干法喷涂沉积：均匀涂层的高效成型方案
干法喷涂沉积（Dry Spray Deposition, DSD）通过静电或机械力将干粉原料直接喷涂到集流体上形成电极涂层，核心优势是涂层均匀、适配多种活性材料，已在 NMC、LCO 等正极制造中得到验证。
技术原理与关键参数
干法喷涂的核心是 “粉体流化 - 带电 - 沉积” 的连续过程：
粉体流化：干粉（活性材料 + 导电剂 + 粘合剂）在气流作用下分散（避免团聚），流化气压通常为 0.1-0.3MPa，确保粉体均匀悬浮；
带电处理：通过电极板（50-100kV）使粉体带同种电荷，利用静电斥力进一步分散；
静电沉积：带电粉体在静电引力作用下均匀吸附到接地的集流体（铜箔或铝箔）上，形成初步涂层；
辊压定型：涂层经辊压（压力 5-10MPa）致密化，控制孔隙率在 30%-40%。
关键参数包括：
粉体粒径：1-5μm（保证流动性），粒径分布偏差需 < 20%；
喷涂电压：影响沉积均匀性，通常 50-80kV（电压过低易团聚，过高易火花放电）；
喷涂距离：集流体与喷嘴间距 10-20cm（距离过近易局部堆积，过远沉积效率低）。
丰田与 Zeon 合作开发的静电喷涂设备通过控制粉体带电密度（1-5μC/g），实现涂层厚度偏差 < 5%，满足批量生产需求。
应用案例与性能表现
在 NMC111 正极制造中，干法喷涂电极（厚度 40.5μm，面密度 10.07mg/cm²）的初始放电容量达 150mAh/g，300 次循环后保持率 80%，优于湿法电极（65%）。这得益于干法电极更均匀的导电网络 —— 碳黑分布偏差 < 10%，而湿法电极可达 15%-20%🔶1-192。
在 LCO 正极中，干法电极的循环稳定性同样突出：50 次循环后容量保持率 70%，湿法电极仅为 58%。电化学阻抗谱（EIS）显示，干法电极的电荷转移电阻（Rct）为 80Ω，湿法电极为 120Ω，表明界面反应更高效。
该技术的局限性在于设备兼容性（需专用喷涂枪）和厚电极制造难度（>100μm 时易脱落），更适合薄电极（30-100μm）和高倍率电池（如电动汽车用电池）。
3.2 粘合剂纤维化：高负载电极的结构强化方案
粘合剂纤维化（Binder Fibrillation）通过机械剪切使粘合剂（如 PTFE）形成纤维状网络，将活性材料和导电剂 “编织” 成整体，无需溶剂即可成型。其核心优势是适配高负载电极（>5mAh/cm²），在 LFP、LTO 等材料中表现优异。
技术原理与材料选择
该技术的关键是粘合剂的 “纤维化能力”——PTFE 在剪切力（如高速搅拌、辊压）作用下，分子链伸展形成直径 0.1-1μm 的纤维，缠绕活性材料颗粒（如 LFP）和导电剂（如 CNT），形成自支撑结构。流程包括：
干粉混合：活性材料：导电剂：PTFE=90:5:5（质量比），确保 PTFE 均匀分散；
高速剪切：转速 3000-5000rpm，剪切时间 5-10 分钟，使 PTFE 形成纤维网络；
辊压成型：压力 10-20MPa，控制电极厚度和孔隙率（30%-35%）。
材料选择上，PTFE 因耐化学性和纤维化能力强成为主流，但需注意其在阳极的电化学稳定性（LUMO 能级低，易还原）。近年研究显示，PTFE 与 CNT 复合可提升导电性 ——CNT 附着在 PTFE 纤维表面，形成连续导电通路，使 LFP 电极的电子电导率从 10⁻⁴S/cm 提升至 10⁻²S/cm。
其他粘合剂的尝试包括 FEP（氟化乙烯丙烯共聚物）和 THV（四氟乙烯 - 六氟丙烯 - 偏氟乙烯共聚物），但纤维化效果仍不及 PTFE。
应用案例与性能突破
在 LFP 正极中，纤维化工艺制造的电极面容量可达 6.8mAh/cm²（厚度 500μm），1000 次循环后容量保持率 68%，远高于湿法工艺的 45%。这得益于 PTFE 纤维的 “缓冲作用”—— 纤维网络可容纳 LFP 的体积变化（约 7%），减少电极开裂。
在 LTO 阳极中，该技术解决了传统电极的体积膨胀问题：500 次循环后体积变化率 < 10%，而湿法电极约为 15%。此外，干法 LTO 电极的首次库仑效率达 96%，湿法电极约为 94%，因无溶剂残留减少了界面副反应。
该技术的挑战在于粘合剂种类局限（主要为 PTFE）和低温导电性，未来需开发新型纤维化粘合剂（如 PVDF 衍生物）。
3.3 挤出成型：规模化生产的高效整合方案
挤出成型（Extrusion）通过螺杆将熔融的 “活性材料 - 粘合剂” 混合物挤出成膜，经冷却和辊压形成电极。其核心优势是连续性强、适配厚电极，被视为最具规模化潜力的干法技术。
技术原理与设备设计
挤出成型的核心是 “熔融混合 - 连续挤出”：
熔融混合：粘合剂（如 PP、PPC）在加热（80-150℃）下熔融，与活性材料、导电剂在螺杆剪切作用下均匀混合，混合时间 5-10 分钟；
连续挤出：混合物通过模具（宽度 100-500mm）挤出成连续薄膜，厚度由模具间隙（0.1-0.5mm）控制；
贴合定型：薄膜贴合集流体后经辊压（压力 15-25MPa）致密化，冷却至室温固化。
设备设计的关键是螺杆构型（如双螺杆提升混合均匀性）和温度控制（避免活性材料热分解）。Bolloré 开发的双螺杆挤出机通过分段控温（进料段 80℃、混合段 120℃、挤出段 100℃），实现 NMC 材料的均匀分散 —— 活性材料团聚率 < 5%，远低于湿法工艺的 10%-15%。
应用案例与规模化潜力
在厚电极制造中，挤出成型表现突出 ——LFP 电极厚度可达 500μm，面容量 13.7mAh/cm²，C/10 倍率下放电容量达理论值的 90%。这得益于挤出工艺的高致密度（3.2g/cm³）和均匀孔隙结构（孔径分布 1-5μm）。
在 NMC811 正极中，该技术制造的电极循环 500 次后容量保持率 80%，与湿法相当，但生产效率提升 30%（线速度 30m/min vs 湿法 20m/min）。更重要的是，挤出成型可与现有辊压、分切设备兼容，改造成本低（较喷涂工艺低 20%），丰田、宁德时代等企业已建立中试线（产能 100MWh / 年），验证了其工业化潜力。
四、干法工艺的现存挑战
尽管干法工艺优势显著，但从实验室到大规模应用仍需解决材料适配、工艺控制和设备兼容三大挑战，这些瓶颈的突破将决定技术落地速度。
4.1 材料挑战：粘合剂与活性材料的适配难题
粘合剂是干法工艺的 “灵魂”，需同时满足三大要求：粘结力（将颗粒固定）、导电性（不阻碍电子传输）、加工性（适配喷涂 / 纤维化 / 挤出）。目前可用的粘合剂仍局限于少数品种，且各有缺陷：
PTFE：纤维化能力强（纤维长度可达 10μm），但导电性差（体积电阻率 10¹⁴Ω・cm），且在阳极易还原（电化学稳定性窗口 < 2V vs Li+/Li），不适用于高电压体系；
PVDF：粘结力优异（剥离强度 > 1N/cm），但需较高温度（>150℃）才能熔融，可能导致 NMC 等材料热分解（NMC811 在 > 200℃时释放氧气）；
PP：成本低（约 1 美元 /kg），但柔韧性差，厚电极（>300μm）易开裂，且与活性材料的相容性差（接触角 > 90°）。
活性材料适配性也存在局限：
高镍 NMC（如 NMC811）因表面活性高易团聚，需额外包覆改性（如 Al₂O₃），增加工艺复杂度；
硅基阳极因体积膨胀大（>300%），干法电极的结构稳定性仍需提升 —— 循环 50 次后容量保持率仅 60%，湿法电极约为 55%，提升有限；
粉体流动性要求高（安息角 < 30°），而部分活性材料（如 LTO）因颗粒形状不规则（片状），流动性差，需造粒预处理。
4.2 工艺挑战：均匀性控制与性能一致性
干法工艺依赖干粉混合，因无溶剂 “缓冲”，颗粒分散均匀性更难控制，直接影响电池性能一致性。
密度差异导致的分层：活性材料（如 LFP，密度 3.6g/cm³）与导电剂（如碳黑，密度 1.8g/cm³）密度差异大，混合后易分层 —— 静置 30 分钟后，顶部碳黑含量比底部高 20%，导致电极导电性不均；
局部团聚：活性材料若团聚（粒径 > 20μm），会导致锂离子传输受阻，容量发挥偏差达 10%。例如，NMC 团聚体周围的 Li + 扩散系数仅为均匀区域的 1/5；
厚度偏差：喷涂或挤出过程中，粉体流量波动易导致涂层厚度偏差（>5%），影响电池一致性。测试显示，厚度偏差 10% 会导致电池容量偏差 5%、循环寿命差异 1 异 15%。
此外，干法电极的 calendaring（辊压）工艺难以控制 —— 压力过低则孔隙率高（>40%），离子传输效率低；压力过高则活性材料破碎（如 NMC 颗粒开裂），容量损失 > 5%。
4.3 设备与规模化挑战：从实验室到工厂的跨越
干法工艺的设备瓶颈主要体现在三个方面，直接制约规模化应用：
专用设备缺乏：喷涂枪、纤维化混合机等核心设备仍依赖进口（如日本 Disco、德国 Drais），国产设备精度不足（喷涂均匀性偏差 > 8%）。例如，进口静电喷涂枪单价约 50 万元，国产设备约 20 万元，但使用寿命仅为进口的 1/3；
与现有产线兼容性：湿法工厂的涂覆、干燥设备无法直接复用，改造需额外投资（1GWh 产线约需 5000 万元）。部分企业因改造成本高，选择新建干法产线，进一步增加初期投入；
工艺标准缺失：目前尚无干法电极的行业标准（如粘结强度、孔隙率测试方法），企业间技术交流与质量对比困难。例如，不同实验室对 “干法电极机械强度” 的测试方法（拉伸 / 剥离）不同，数据差异可达 30%。
此外，干法工艺的废品回收难度更大 —— 湿法废品可通过溶剂溶解回收，而干法废品需粉碎重造，增加回收成本约 10%，不利于闭环制造。
五、未来展望：干法工艺的技术迭代与应用场景
干法电极制造技术正从 “替代湿法” 向 “赋能新型电池” 演进，未来通过材料创新、工艺优化和设备升级，有望在 2030 年前实现规模化应用，成为高能量密度、可持续电池的核心制造技术。
5.1 材料创新：粘合剂与多功能电极的突破
新型粘合剂将是技术突破的核心，目标是解决现有材料的性能短板：
导电 - 粘结一体化粘合剂：开发导电聚合物（如 PANI、PEDOT:PSS）与 PVDF 的复合粘合剂，既保证粘结力（剥离强度 > 0.8N/cm），又提升导电性（体积电阻率 < 10⁴Ω・cm）。实验室数据显示，这种复合粘合剂可使 LFP 电极的 3C 容量保持率从 70% 提升至 85%；
响应型粘合剂：设计温度敏感型粘合剂（如聚 N - 异丙基丙烯酰胺衍生物），在电池温度升高时软化，缓解硅基阳极的体积膨胀（>300%）。测试显示，采用该粘合剂的硅基电极循环 50 次后容量保持率从 60% 提升至 75%；
生物基粘合剂：开发改性淀粉、纤维素衍生物等生物基粘合剂，降低环境影响。目前，改性淀粉粘合剂的粘结力已达 PVDF 的 80%，成本仅为 1/5，有望在 LFP 等低成本体系中应用。
电极设计将向 “多功能” 演进：通过干法工艺构建梯度结构（如表面高导电剂、内部高活性材料），平衡倍率性能与能量密度；引入孔道结构（如模板法制备通孔），提升锂离子传输效率。预计到 2025 年，干法工艺可实现电极能量密度突破 400Wh/kg，适配固态电池需求。
5.2 工艺与设备升级：规模化与智能化
工艺优化将聚焦 “均匀性控制”，通过多手段协同提升稳定性：
混合设备创新：开发双螺杆 + 气流混合的复合设备，减少密度分层 ——NMC 与碳黑的混合均匀性偏差可控制在 5% 以内；
在线监测与调整：引入激光粒度仪（实时监测团聚体）和红外厚度仪，结合机器学习算法（如 PID 控制），将涂层厚度偏差控制在 3% 以内；
低温成型工艺：开发超临界 CO₂辅助成型技术，降低粘合剂熔融温度（如 PVDF 从 150℃降至 100℃），避免活性材料热分解。
设备国产化是降低成本的关键：预计 2024-2026 年，国产喷涂枪、纤维化混合机将实现技术突破，喷涂均匀性偏差 < 5%，成本较进口降低 40%。同时，连续化生产线（从混合到分切）将实现产能提升至 50m/min（当前约 30m/min），适配 10GWh 级工厂需求。
5.3 应用场景：从储能到高端电动车
干法工艺的应用将呈现 “梯度渗透”，根据不同场景的需求优先级逐步推广：
第一阶段（2023-2025）：适配储能电池（如 LFP 体系），利用其低成本优势，在储能电站中替代湿法工艺。目标是将储能电池的单位成本降至 0.5 美元 / Wh 以下，同时满足 10000 次循环寿命要求；
第二阶段（2025-2028）：进入中高端电动车电池（如 NMC622），通过高致密度提升能量密度。目标是电极面容量达 5mAh/cm²，电池系统能量密度突破 300Wh/kg；
第三阶段（2028 年后）：支撑固态电池商业化，因无溶剂残留，避免固态电解质（如硫化物）与溶剂的反应问题。目标是适配能量密度 400Wh/kg 的固态电池，循环寿命 > 2000 次。
据测算，到 2030 年，干法工艺有望占据全球电极制造市场的 30% 份额，对应年减排 CO₂ 1.2 亿吨，节约能耗 1000GWh，成为锂电池可持续生产的核心技术。
结论：干法工艺 —— 锂电池制造的可持续革新
锂离子电池产业正面临 “高性能” 与 “可持续” 的双重需求，干法电极制造技术通过无溶剂化革新，从根源上解决了湿法工艺的成本、能耗与环保痛点，同时在电极密度、机械强度等性能上实现突破，展现出 “制造绿色化、性能高端化” 的双重潜力。
当前，干法工艺的三大技术路径（喷涂、纤维化、挤出）已在实验室和中试线验证了可行性，下一步需通过材料创新（新型粘合剂）、工艺优化（均匀性控制）和设备国产化，突破规模化瓶颈。随着技术成熟，干法工艺不仅将成为传统锂电池降本增效的关键，还将支撑固态电池等下一代技术的商业化，推动全球电池产业向 “零碳制造” 迈进。
这场革新的意义不仅在于技术迭代，更在于重塑锂电池的价值链条 —— 从 “以性能为核心” 转向 “性能与可持续性并重”。未来，掌握干法工艺的企业将在成本控制、环保合规和技术领先性上获得三重优势，成为行业竞争的领跑者。
