I. Analyse der Technologie zur Trockenelektrodenherstellung
1. Einführung in Trocken- und Nassverfahren und Materialvergleich
Beim herkömmlichen Nassverfahren werden aktives Material, leitfähiges Mittel und Bindemittel in einem Lösungsmittel in bestimmten Verhältnissen gemischt, die Mischung dann mit einem Schlitzdüsenbeschichter auf die Stromkollektoroberfläche aufgetragen und anschließend kalandriert.
Beim Trockenverfahren werden aktive Partikel und leitfähige Stoffe gleichmäßig trocken gemischt, ein Bindemittel hinzugefügt, durch Binderfibrillierung ein selbsttragender Film gebildet und dieser schließlich auf die Stromkollektoroberfläche kalandriert.
2. Trockenfilm-Herstellungsprozess
2.1 Trockenherstellungsverfahren für selbsttragende Filme
Zu den Trockenfilmverfahren zählen die Binderfibrillierung und das elektrostatische Sprühen, wobei die Binderfibrillierung die gängigste Technik ist. Die Leistung des elektrostatischen Sprühens ist der Binderfibrillierung hinsichtlich der Weiterverarbeitung, der Haftstabilität, der Elektrodenflexibilität und der Haltbarkeit unterlegen.
Binderfibrillierung: Aktivmaterialpulver und Leitfähigkeitsmittel werden gemischt, PTFE-Bindemittel hinzugefügt und durch externe Scherkräfte fibrilliert, wodurch das Elektrodenfilmpulver gebunden wird. Die Mischung wird anschließend zu einer selbsttragenden Folie extrudiert.
Elektrostatisches Sprühen: Aktivmaterial, Leitfähigkeit und Bindemittel werden mit Hochdruckgas vorgemischt. Das Pulver wird mittels einer elektrostatischen Sprühpistole negativ aufgeladen und auf einen positiv geladenen Stromkollektor aus Metallfolie aufgebracht. Der mit Bindemittel beschichtete Kollektor wird anschließend heißgepresst; das geschmolzene Bindemittel haftet an anderen Pulvern und wird zu einem selbsttragenden Film verdichtet.
2.2 Prinzip der Fibrillations-Trockenprozesstechnologie
Durch Fibrillierung wird PTFE unter äußerer Scherkraft in Fibrillen umgewandelt. Aufgrund der geringen Van-der-Waals-Kräfte und der lockeren Stapelung von PTFE wandeln Scherkräfte Agglomerate in Fibrillen um, die ein netzwerkbindendes Elektrodenpulver bilden.
Temperatur und Scherung sind entscheidende Faktoren, die die PTFE-Fibrillierung beeinflussen. Über 19 °C geht PTFE von einem triklinen zu einem hexagonalen Kristallsystem über, wodurch die Molekülketten weicher werden und die Fibrillierung ermöglicht wird.
Die Herstellung von Fibrillationsfilmen erfolgt vor der Kalandrierung der Elektroden. Zu den gängigen Fibrillationsgeräten gehören Strahlmühlen, Schneckenextruder und offene Mühlen.
Nach gründlicher Vermischung von PTFE und Aktivmaterial wird die Mischung einer Fibrilliermaschine zugeführt. Unter Walzendruck bildet sich ein selbsttragender Film. Experimentelle Daten zeigen, dass niedrigere Zufuhrgeschwindigkeiten die Impedanz des Elektrodenfilms erhöhen, während eine höhere Kalandrierkraft die Impedanz verringert.
II. Trockene vs. nasse Elektrode: Vorteile und Nachteile
1. Niedrigere Kosten: 18 % Reduzierung der Herstellungskosten
Das Trockenverfahren umfasst weniger Schritte. Die Massenproduktion senkt die Zellherstellungskosten um 18 % (0,056 RMB/Wh). Bei der Nassverarbeitung machen Beschichtung/Trocknung und Lösungsmittelrückgewinnung 22,76 % bzw. 53,99 % der Geräte-, Arbeits-, Anlagen- und Energiekosten aus. Das Trockenverfahren ersetzt die Schlickerbeschichtung durch die Bildung selbsttragender Filme und macht NMP-Lösungsmittel, Elektrodentrocknung und Lösungsmittelrückgewinnung überflüssig – eine deutliche Kostensenkung.
Das Trockenverfahren ist umweltfreundlicher und skalierbarer. Giftiges NMP (N-Methylpyrrolidon) erfordert im Nassverfahren ein energieintensives Recycling. Die lösungsmittelfreie Trockenverarbeitung vereinfacht die Arbeitsabläufe, reduziert den Platzbedarf der Anlagen und ermöglicht die Elektrodenproduktion im großen Maßstab.
2.
Höhere aktive Materialdichte: 20 % höhere Energiedichte
PTFE-Fibrillierung ermöglicht eine glattere Morphologie trockener Elektroden im Vergleich zu nassen Elektroden. Durch die Verdunstung von Lösungsmitteln bei der Nassverarbeitung entstehen Hohlräume zwischen aktivem Material und leitfähigen Substanzen, was die Verdichtungsdichte verringert. Ohne Trocknung beseitigen trockene Elektroden Hohlräume und gewährleisten so einen dichteren Partikelkontakt.
Trockene Elektroden erreichen eine höhere Verdichtungsdichte mit weniger Rissen/Mikroporen:
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LFP: 2,30 g/cm³ → 3,05 g/cm³ (+32,61 %)
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NMC: 3,34 g/cm³ → 3,62 g/cm³ (+8,38 %)
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Graphitanode: 1,63 g/cm³ → 1,81 g/cm³ (+11,04 %)
Ein höherer Aktivmaterialgehalt pro Volumen ermöglicht eine höhere Energiedichte.
Trockenbatterien erreichen unter identischen Bedingungen eine um 20 % höhere Energiedichte. Maxwell-Daten zeigen, dass Trockenelektroden über 300 Wh/kg verfügen, mit einem Potenzial von 500 Wh/kg.
Trockene Elektroden unterstützen größere Dickengrenzen (30 µm–5 mm gegenüber 160 µm bei nassen Elektroden), wodurch die Flächenkapazität und die Kompatibilität mit verschiedenen aktiven Materialien verbessert werden.
3. Überlegene elektrische Leistung
Labortests bestätigen, dass Trockenbatterien eine hervorragende Zyklenlebensdauer, Haltbarkeit und Impedanz aufweisen. Das Fibrillennetzwerk verbessert die Materialstabilität und die elektrische Leistung.
Bei der Nassverarbeitung akkumulieren 500 Zyklen innere Spannungen in den aktiven Partikeln, die zu Querschnittsrissen führen und die Batterieleistung beeinträchtigen. Bei der Trockenverarbeitung umhüllt das Fibrillennetzwerk die aktiven Materialien und erhält so nach 500 Zyklen die strukturelle Integrität mit minimalen Oberflächenrissen. Die Netzstruktur unterdrückt zudem die Ausdehnung des aktiven Materials, verhindert die Partikelablösung von den Stromkollektoren und verbessert Stabilität und elektrische Leistung.
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