综述：无溶剂粘接机制与锂离子电池干电极技术中的微观结构工程

《Advanced Functional Materials》：Solvent-Free Bonding Mechanisms and Microstructure Engineering in Dry Electrode Technology for Lithium-Ion Batteries

干电极技术（DET）通过消除溶剂和干燥步骤，显著降低能耗、减少污染并提升电极性能，尤其适合制造高厚度、高能量密度的电池电极和固态电池组件。主流方法包括干粉末喷涂（利用热塑性 binder 如PVDF）和剪切诱导PTFE纤维化（形成3D网络增强机械强度）。DET通过精准控制微结构（如孔隙率、纤维分布）优化离子/电子传输，解决厚电极易碎裂问题，并兼容固态电解质。工业应用中需平衡材料分散、设备适配及成本，未来结合AI智能监控和新型氟碳/离子导体复合binders，有望实现规模化生产。

　　干电极技术（DET）为锂离子电池（LIBs）的制造提供了一种革新性的替代方案，尤其在环保、制造成本和性能提升方面展现出显著优势。传统湿法浆料铸造（SCT）依赖有机溶剂，不仅增加了制造过程的环境负担，还导致高能耗和复杂的干燥及溶剂回收步骤。DET通过去除溶剂，简化了制造流程，同时减少了能量消耗和生产成本，为电池行业提供了更加可持续的发展路径。

在制造过程中，SCT通常包括浆料混合、涂布、溶剂干燥、溶剂回收和压延等步骤。其中，干燥步骤是极其耗能的，因为需要在高温下蒸发高沸点溶剂（如NMP），并且需要大型干燥设备，这使得整个工艺过程不仅时间成本高，而且对环境造成显著影响。相比之下，DET能够直接处理干燥粉末，无需溶剂蒸发和回收，从而大幅降低能耗。例如，通过DET制造的电极，其能量消耗可减少38%–40%，制造成本也降低14.2%–19.0%。此外，DET能够制造出更厚、更致密且更均匀的电极，这不仅有助于提升电池的能量密度，还能增强电极的机械强度和电化学性能。这些优势使得DET在高性能电池制造中展现出巨大的潜力。

DET的核心优势在于其对电极微观结构的精确控制。在SCT中，由于溶剂的使用，电极内部的材料分布往往不均匀，导致电极表面和内部出现显著的浓度梯度。这种不均匀的结构不仅影响电极的机械性能，还可能引起离子传输路径的复杂化，进而增加电极的极化效应和电化学性能的下降。而DET通过机械力或热力学过程将粘结剂和活性材料均匀混合，形成更加均匀的电极结构。这种均匀性有助于改善电极的导电性和离子传输效率，同时避免了因粘结剂迁移导致的性能损失。例如，采用PTFE粘结剂的DET电极能够形成一种三维纤维网络，这不仅增强了电极的机械稳定性，还确保了活性材料的均匀分布，从而提升了电极的整体性能。

DET在固态电池（SSB）制造中也表现出显著的优势。传统的SCT方法由于溶剂与固态电解质（SE）之间的不兼容性，常常导致SE的降解或性能损失。而DET通过去除溶剂，避免了这些化学不相容性问题，使得固态电池的制造更加可行。此外，DET能够制造出更薄的固态电解质膜，这在SSB中至关重要，因为薄膜可以显著提升能量密度并增强电池的安全性。例如，通过PTFE纤维化技术制造的固态电解质膜可以达到15–20微米的厚度，这为大规模固态电池生产提供了新的可能性。

尽管DET在理论上展现出诸多优势，但其工业应用仍面临一些挑战。首先，干电极制造过程中，粘结剂的均匀分布和性能优化是关键问题。对于PTFE这类粘结剂，虽然其机械性能优异，但在低含量情况下容易出现脆性问题，特别是在制造超薄固态电解质膜时。因此，研究人员开发了多种增强策略，如引入轻质多孔骨架、设计多功能粘结剂体系等，以解决这些问题。其次，干电极的制造需要对工艺参数进行精确控制，包括混合强度、温度、压力等，以确保最终电极的性能和结构稳定。例如，通过调整混合速度和时间，可以优化粘结剂和导电添加剂的分布，从而提升电极的导电性和机械强度。

在实际应用中，DET已被用于制造高性能的高负载电极和快速充电电池。例如，通过干喷涂技术制造的电极能够实现更高的活性材料负载，同时保持良好的离子传输性能。此外，DET在固态电池中的应用也取得了显著进展，如通过PTFE纤维化技术制造的固态电解质膜，能够提供良好的机械强度和离子导电性，为固态电池的大规模生产奠定了基础。

展望未来，DET的发展将依赖于多学科的协同创新，特别是在制造设备和工艺控制方面。目前，许多工业设备是基于传统湿法工艺设计的，难以满足DET对干燥粉末的特殊处理需求。因此，需要开发专门的干电极制造设备，包括连续高剪切混合器、精密粉末输送系统和新型压延设备，以确保在高产率下保持电极的均匀性和性能。此外，智能制造技术的应用，如人工智能（AI）和机器学习（ML），将有助于实现DET的自动化和优化，提高生产效率并减少缺陷率。

总之，DET不仅为锂离子电池的制造提供了更加环保和经济的解决方案，还在固态电池和其他高能密度电池中展现出巨大的应用潜力。随着技术的不断进步和工艺的持续优化，DET有望成为下一代高性能、可持续的能源存储技术的核心组成部分，推动电池产业向更加绿色和高效的方向发展。