DRYtraec?干法工艺规模化制备固态电池硫化物隔膜与正极电极的研究

为解决固态电池(SSBs)制造中传统湿法工艺的溶剂毒性、能耗高及硫化物固体电解质(SE)离子电导率受损等问题，Fraunhofer研究所团队开发了DRYtraec?干法工艺，实现了NMC正极和Li6PS5Cl隔膜的无溶剂连续生产。研究表明，通过调控剪切比(γ)和辊隙(dG)，可精确控制电极负载量(3.5 mAh·cm?2)与孔隙率(43%)，且电化学性能接近粉末基准。该技术为SSBs规模化生产提供了新范式。

　　

随着全球对高能量密度、高安全性储能需求的激增，固态电池(SSBs)因其用固态电解质替代易燃液态电解质的特性，被视为下一代能源存储的突破口。然而，传统锂离子电池(LIBs)的湿法制造工艺在SSBs应用中面临严峻挑战：有毒溶剂的使用、能耗巨大的干燥过程，以及溶剂对硫化物固体电解质(SE)离子电导率的负面影响。更棘手的是，无溶剂干法电极的规模化生产长期受限于脆性薄膜和工艺复杂性。在这一背景下，Fraunhofer研究所的Arthur Dupuy团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，提出了一种名为DRYtraec?的革命性干法工艺。

研究团队采用多辊差分转速技术，通过三步核心方法实现突破：首先将NMC82活性材料与Li₆PS₅Cl( LPSCl )粉末干混；随后在120°C下进行PTFE原纤化处理；最后通过剪切应力(τ)调控的辊压系统直接层压成膜。关键技术包括剪切比(γ=100(1-V₂/V_M))精确控制、连续双面涂布系统，以及-50°C露点的惰性气氛处理。

3.1 NMC正极制造

通过调节剪切比(45-85%)和辊隙(50-200μm)，团队发现活性物质负载量与γ呈线性关系。当NMC含量达85wt%时，需65%以上γ值避免"扭矩断裂"现象。SEM显示，80%剪切比下可获得196μm均匀涂层，孔隙率稳定在54-62%。

3.2 硫化物隔膜制备

区别于正极的多元组分，单质SE的流变特性使其生产窗口更窄。研究划分出四大工艺域：扭矩断裂区(γ<50%)、直接压延膜区(50-70%)、自支撑膜区(70-90%)和剪切分解区(γ>90%)。连续生产的隔膜厚度偏差达16%，揭示SE颗粒形貌对工艺稳定性的关键影响。

3.3 电化学验证

尽管干法工艺引入1wt% PTFE导致阴极阻抗增至290Ω·cm²，但3.5mAh·cm^?2负载下的放电容量仍达151.72mAh·g^?1。隔膜的离子电导率保持在2.08mS·cm^?1，虽略低于粉末基准(2.94mS·cm^?1)，但显著优于浆料法(<1mS·cm^?1)。

这项研究首次证实DRYtraec?可同步实现SSBs关键组件的规模化干法制造。其创新性在于：通过剪切主导的应力场替代传统压缩，既避免了PTFE过量导致的性能衰减，又将涂层-层压集成于单步完成。尽管SE颗粒工程和工艺参数优化仍需深入，该技术已为SSBs从实验室走向产业化提供了切实路径，特别是在解决硫化物电解质环境敏感性与加工脆性这一世界性难题上展现出独特优势。未来通过开发专用SE粉末和在线剂量系统，有望进一步推动干法工艺在固态电池工业中的应用。