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原位交联石墨：干法锂离子电池电极机械稳健性突破的关键技术

引言：干法电极的 “环保优势” 与 “机械短板” 的矛盾破解

在全球能源转型加速推进的背景下，锂离子电池（LIB）已成为电动汽车（EV）、大规模储能系统（ESS）及消费电子的核心能源载体。据行业数据显示，2024 年全球 LIB 产量突破 2TWh，预计 2030 年将达到 5TWh，如此庞大的产能规模，使得电池制造过程的碳足迹与环境影响成为行业可持续发展的关键制约。传统湿法电极工艺作为当前主流技术，虽成熟可靠，却存在两大核心缺陷：

其一，高能耗与高污染。湿法工艺需将活性材料、导电剂与 binder 溶于 N - 甲基吡咯烷酮（NMP，正极）或水（负极）形成浆料，涂覆后需经 120-150℃高温干燥 4-6 小时去除溶剂 —— 这一环节能耗占电极制造总能耗的 60% 以上，每 GWh 湿法电极生产线年耗电量超 500 万 kWh。同时，NMP 作为有毒有机溶剂，虽可通过回收系统回收 90%，但仍有 10% 因挥发或降解排放，不仅增加环保成本，还需符合欧盟 REACH 法规中 “每立方米空气 NMP 浓度≤100mg” 的严格限制，进一步推高生产复杂度。

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其二，性能瓶颈与材料浪费。湿法干燥过程中，binder（如 PVDF、SBR）易随溶剂挥发向电极表面迁移，导致电极内部 binder 分布不均，形成 “碳 - binder 团聚域（CBDs）”—— 这些团聚域会阻塞锂离子传输通道，使离子曲折度（τ）增至 3.0 以上，显著降低电池倍率性能与循环稳定性。此外，湿法涂覆的边缘浪费率约 5%，而活性材料负载量通常低于 97wt%，材料利用率与能量密度潜力未被充分挖掘。

干法电极工艺凭借无溶剂、低能耗、高负载的特性，成为破解上述困境的理想方案。其中，聚四氟乙烯（PTFE）因在机械剪切作用下可形成连续纤维网络，能在活性材料负载量超 99wt% 的情况下，仍保持多孔结构（孔隙率 30-40%），为锂离子传输提供通道，成为干法电极的核心 binder。然而，PTFE 的固有缺陷 ——表面能低（18 mN/m）、附着力差，导致干法电极在加工（层压、裁切）和电化学循环（体积变化）过程中易出现分层、开裂，机械完整性差。现有研究数据显示，纯 PTFE 干法电极的界面附着力普遍低于 0.3 N/mm，循环 300 次后容量保持率多低于 60%，远无法满足 EV（循环寿命≥1000 次）与 ESS（≥500 次）的实用化要求，成为其商业化的 “卡脖子” 瓶颈。

针对这一痛点，Jaejin Lim 团队在《Combinatorial Chemistry & High Throughput Screening》（2025 年，DOI:10.1002/cnl2.70050）中提出了多巴胺 - 聚丙烯酸（PD-PAA）复合涂层修饰 + 原位交联的创新策略。该策略通过在石墨表面构建 PD-PAA 复合层，利用干法制造过程中（捏合、层压阶段）的温和温度（~80℃）触发氨基与羧基的缩合反应，形成贯穿电极的三维酰胺键（-RNCO-）交联网络。这一设计在不牺牲电化学性能的前提下，将干法电极的机械强度提升至湿法电极水平，循环 500 次后容量保持率达 87.1%（1 C 倍率），同时保留干法工艺的环保优势，为高性能、可持续干法锂离子电池的产业化提供了关键技术路径。

一、核心设计：PD-PAA 修饰与原位交联的协同机制

干法电极机械性能差的根源在于 PTFE 纤维网络仅能提供 “物理缠绕” 作用，无法实现活性材料颗粒间、颗粒与集流体间的强化学结合。该研究通过 “表面修饰 - 原位交联” 的两步协同设计，构建 “化学键 + 物理缠绕” 的双重结合体系，从分子层面解决附着力不足的问题，其核心机制可从材料设计、反应动力学与结构调控三方面展开。

1.1 石墨表面的 PD-PAA 复合修饰：从 “惰性表面” 到 “反应活性中心”

石墨作为 LIB 负极的主流活性材料，其表面呈化学惰性（sp² 杂化碳结构，表面能低），与 PTFE、导电剂的相互作用弱，是导致颗粒间结合力差的重要原因。研究通过简单的溶液法对石墨进行 PD-PAA 复合修饰，将其从 “惰性表面” 转化为 “反应活性中心”，具体设计细节如下：

1.1.1 聚多巴胺（PD）涂层的制备与作用

PD 涂层的制备基于多巴胺的 “类贻贝黏附” 特性 —— 在弱碱性条件下，多巴胺分子通过邻苯二酚基团的氧化聚合，形成具有三维网络结构的 PD 薄膜，其核心优势在于：

制备工艺简洁：将天然石墨（平均粒径 15 μm）分散于乙醇与 Tris 缓冲液（pH=8.5）的混合溶剂（体积比 1:1）中，加入多巴胺盐酸盐（浓度 10 mM），超声 30 分钟使石墨分散均匀，随后在 300 rpm 搅拌速率下反应 15 分钟。整个修饰过程仅需 20 分钟，无需高温或高压设备，可直接整合到石墨原料的预处理环节。涂层性能可控：pH 值是影响 PD 涂层均匀性的关键参数 —— 研究发现，当 pH=8.5 时，多巴胺的氧化聚合速率适中，形成的 PD 涂层厚度均匀（8-12 nm），且无明显团聚；若 pH<8.0，聚合速率过慢，涂层不完整；若 pH>9.0，聚合过快易形成 PD 微球，导致涂层厚度不均（偏差 > 5 nm）。通过 TEM 观察（图 1a-b），PD@Gr 石墨颗粒表面呈现连续的 “褶皱状” 涂层，无裸露区域，证明修饰效果优异。活性位点丰富：PD 分子富含氨基（-NH₂、-NH-R）与邻苯二酚羟基（-OH），这些基团可通过氢键、范德华力与石墨表面结合，同时为后续 PAA 的接枝提供化学位点。XPS 分析显示，PD@Gr 的 N 1s 谱图中，-NH₂（401.9 ± 0.3 eV）与 - NH-R（399.9 ± 0.1 eV）的特征峰面积占比分别为 35% 与 65%，证明 PD 涂层中存在大量可反应的氨基基团。

1.1.2 PD-PAA 复合涂层的协同设计

为进一步提升后续交联效率，研究在 PD 涂层基础上引入聚丙烯酸（PAA），形成 PD-PAA 复合涂层（PDAA@Gr），其设计逻辑基于 “互补反应性” 与 “结构协同性”：

反应性互补：PAA 分子链上的羧基（-COOH）可与 PD 的氨基发生缩合反应，形成稳定的酰胺键。研究选择分子量为 10 万的 PAA（ Sigma-Aldrich），原因在于：低分子量 PAA（<5 万）易溶于溶剂，难以形成稳定涂层；高分子量 PAA（>20 万）易形成凝胶，导致石墨分散性下降。实验表明，当 PD 与 PAA 的摩尔比为 5:1 时，复合涂层的稳定性最佳 —— 过高的 PAA 比例会导致涂层过厚（>30 nm），阻碍锂离子传输；过低则无法提供足够羧基，交联效率不足。结构协同性：PAA 的引入可改善 PD 涂层的亲水性与柔韧性 ——PD 涂层虽黏附性强，但脆性较高（杨氏模量～2 GPa），在机械应力下易开裂；而 PAA 具有良好的柔韧性（杨氏模量～0.5 GPa），可通过分子链的卷曲与伸展吸收应力，提升涂层的抗开裂能力。TEM 观察（图 1c-d）显示，PDAA@Gr 的涂层厚度增至 15-20 nm，表面更平滑，无 PD@Gr 涂层的褶皱结构，证明 PAA 与 PD 形成了均匀的复合层。分散性提升：未修饰的石墨颗粒因表面惰性，在干粉混合过程中易团聚（粒径分布宽度～2.5）；而 PDAA@Gr 的表面极性增强，通过动态光散射（DLS）测试，其粒径分布宽度降至 1.8，分散性显著提升 —— 这一优势可减少干法混合过程中的 “团聚死角”，确保 PTFE 纤维网络均匀包裹石墨颗粒。

1.2 干法制造中的原位交联反应：从 “物理混合” 到 “化学结合”

原位交联是该技术的核心创新点 —— 利用干法电极制造过程中自身的温度条件（捏合、层压阶段均为 80℃），无需额外加热或辐射，即可触发 PD 与 PAA 的化学反应，形成贯穿电极的三维交联网络，其反应机理与工艺适配性如下：

1.2.1 交联反应机理与动力学

PD 与 PAA 的交联反应属于 “氨基 - 羧基缩合反应”，在 80℃温和温度下，PD 中的氨基（-NH₂）与 PAA 中的羧基（-COOH）失去水分子，形成酰胺键（-RNCO-），其反应式为：-NH₂ + -COOH → -RNCO- + H₂O

研究通过原位 FTIR（傅里叶变换红外光谱）监测反应过程（图 2a），发现：

反应起始温度为 60℃，此时 FTIR 谱图中 1650 cm⁻¹ 处（酰胺键的特征吸收峰）开始出现微弱信号； 80℃时，1650 cm⁻¹ 处的峰强度达到最大值，且 3300 cm⁻¹ 处（-NH₂的伸缩振动峰）与 1720 cm⁻¹ 处（-COOH 的伸缩振动峰）的强度显著下降，证明氨基与羧基的转化率达 70% 以上；若温度升至 100℃，1650 cm⁻¹ 处的峰强度无明显增加，反而因 PTFE 纤维的轻微降解（PTFE 的玻璃化温度约 120℃，100℃下开始软化），导致电极结构松散，因此 80℃是交联反应的最优温度。

此外，反应时间对交联效率也有影响 —— 在 80℃捏合过程中，前 30 分钟内酰胺键形成速率最快，30 分钟后反应趋于平缓（转化率达 90%），因此将捏合时间设定为 30 分钟，既保证交联充分，又避免工艺耗时过长。

1.2.2 三维交联网络的结构与作用

原位交联形成的三维网络具有 “双重支撑” 作用，与 PTFE 纤维网络协同构建电极的机械骨架（图 2b）：

微观层面：交联网络通过酰胺键将相邻石墨颗粒 “桥接”，形成颗粒间的强化学结合 —— 未修饰的 DP-bGr 中，石墨颗粒间主要依靠 PTFE 纤维的物理缠绕，结合力弱（界面结合能～0.5 J/m²）；而 DP-xPDAA@Gr 中，酰胺键的界面结合能提升至 1.8 J/m²，是物理缠绕的 3.6 倍，有效抑制颗粒间的相对滑动。宏观层面：交联网络贯穿整个电极，与 PTFE 纤维网络相互交织，形成 “多孔 - 连续” 的结构 ——PTFE 纤维提供宏观的孔隙结构（孔径 50-100 nm），确保锂离子传输；交联网络则填充颗粒间隙，提升电极的整体致密度与机械强度。通过 SEM 截面观察（图 2c-d），DP-xPDAA@Gr 的电极结构更均匀，无明显孔隙聚集，而 DP-bGr 中存在较多 1-2 μm 的大孔隙，易成为机械应力集中点，导致开裂。

值得注意的是，三维交联网络的多孔性（孔隙率～35%）并未因交联而显著降低，仍高于湿法电极（孔隙率～30%），因此不会阻碍锂离子传输 —— 这是该设计区别于传统 “加量 binder 增强” 策略的关键优势（传统策略需增加 binder 用量至 3-5 wt%，会导致孔隙率降至 25% 以下）。

二、性能验证：机械稳健性与电化学性能的双重突破

为全面验证原位交联策略的有效性，研究设计了 5 种对比电极（2 种湿法：WP-97、WP-99；3 种干法：DP-bGr、DP-PD@Gr、DP-xPDAA@Gr），通过机械性能测试、电化学表征与循环后分析，系统评估其性能优势，关键数据与分析如下。

2.1 机械性能：从 “脆弱易裂” 到 “媲美湿法”

机械性能是干法电极实用化的核心指标，研究通过微压痕测试、SAICAS 附着力分析与弯曲测试，从压缩、附着、抗折三个维度评估电极的机械稳健性。

2.1.1 压缩模量：抗变形能力的显著提升

微压痕测试采用直径 600 μm 的圆柱压头，以 10 μm/s 的加载速率对电极施加压力，通过应力 - 应变（σ-ε）曲线计算压缩模量（E），结果如表 1 所示：

从数据可见：

未修饰的 DP-bGr 压缩模量仅 21.3 MPa，远低于湿法电极 WP-97（29.5 MPa），证明纯 PTFE 干法电极的抗压缩能力弱； PD 修饰后（DP-PD@Gr），模量提升至 24.5 MPa，这是因为 PD 的黏附性增强了颗粒间结合；原位交联后（DP-xPDAA@Gr），模量达到 29.5 MPa，与 WP-97 持平，最大抗压强度与断裂应变也与湿法电极相当，证明交联网络完全弥补了干法电极的压缩性能短板。

进一步分析 σ-ε 曲线（图 3a）发现，DP-xPDAA@Gr 的曲线呈 “线性弹性 - 屈服 - 塑性” 三段式，与湿法电极一致，而 DP-bGr 的曲线在低应力（<0.8 MPa）下即出现非线性弯曲，证明其弹性变形能力差，易发生塑性破坏。

2.1.2 附着力强度：界面结合与内部均匀性的双重优化

采用表面界面切割分析系统（SAICAS）评估电极的附着力，测试原理为：用 1 mm 宽的不锈钢刀片垂直切入电极至指定深度，再以 2 μm/s 的水平速度移动，记录切割过程中的力变化，计算不同深度的附着力强度（单位：N/mm）。

界面附着力（电极与集流体间）：

DP-bGr 的界面附着力仅 0.20 N/mm，在层压过程中易出现 “脱层”； DP-PD@Gr 的界面附着力提升至 0.35 N/mm，这是因为 PD 的氨基可与集流体表面的氧化层（如 CuO）形成配位键； DP-xPDAA@Gr 的界面附着力达 0.45 N/mm，与 WP-97（0.48 N/mm）接近，完全满足电极加工的界面强度要求（行业标准≥0.3 N/mm）。

内部附着力（电极厚度方向分布）：

湿法电极（WP-97、WP-99）因干燥过程中 binder 迁移，附着力从表面（70 μm 处）到基底（10 μm 处）下降 30%（WP-97：表面 0.50 N/mm → 基底 0.35 N/mm），分布不均；干法电极的附着力分布更均匀，DP-xPDAA@Gr 在整个厚度范围内（10-70 μm）的附着力偏差仅 5%（0.43-0.45 N/mm），证明交联网络在电极内部均匀分布，无 “薄弱区域”（图 3b）。

2.1.3 弯曲测试：抗折性能的实用化验证

模拟电极裁切、卷绕过程中的弯曲应力，将电极样品（10 mm×50 mm）绕直径 1 mm 的金属棒弯曲 180°，重复 10 次后观察形貌并测试电导率：

DP-bGr 弯曲 5 次后即出现明显裂纹，10 次后电导率下降 40%（从 100 S/cm 降至 60 S/cm）； DP-PD@Gr 弯曲 10 次后出现细微裂纹，电导率下降 15%； DP-xPDAA@Gr 弯曲 10 次后无裂纹，电导率仅下降 5%（从 95 S/cm 降至 90 S/cm），与 WP-97（下降 4%）相当，证明其抗折性能完全满足电池组装需求。

2.2 电化学性能：低阻抗、高倍率与长循环的兼顾

传统机械增强策略（如增加 binder 用量）往往以牺牲电化学性能为代价，而该研究的原位交联策略通过 “结构优化而非成分增加”，实现了机械性能与电化学性能的双赢，关键电化学数据如下。

2.2.1 离子传输效率：低曲折度与高扩散系数

通过对称电池 EIS与 ** galvanostatic 间歇滴定技术（GITT）** 评估离子传输性能：

离子曲折度（τ）：基于传输线模型（TLM）分析对称电池 EIS 谱图，计算离子曲折度（τ=√(R_bulk / R_0)，其中 R_bulk 为电极本体电阻，R_0 为理想无孔电极电阻）：

湿法电极的 τ 较高（WP-97：3.28，WP-99：3.16），源于 binder 迁移导致的离子通道阻塞；干法电极的 τ 显著降低，DP-bGr：2.44，DP-PD@Gr：2.44，DP-xPDAA@Gr：2.37—— 这是因为 PTFE 纤维与交联网络形成的连续孔隙，缩短了锂离子传输路径（图 4a）。

锂离子扩散系数（D_Li⁺）：通过 GITT 测试计算 D_Li⁺（基于 Fick 第二定律）：

DP-xPDAA@Gr 的 D_Li⁺为 1.2×10⁻⁸ cm²/s，是 WP-97（0.8×10⁻⁸ cm²/s）的 1.5 倍，证明交联网络未阻碍锂离子扩散；低温下（-20℃），DP-xPDAA@Gr 的 D_Li⁺仍保持 0.3×10⁻⁸ cm²/s，远高于 DP-bGr（0.1×10⁻⁸ cm²/s），这是因为交联网络的酰胺键可与锂离子形成弱配位作用，降低低温下的扩散能垒。

2.2.2 倍率性能：高倍率下的低极化与高容量保持

以 NCM622 为正极组装全电池（电压范围 3.0-4.3 V），测试不同倍率下的放电容量保持率（以 0.2 C 容量为 100%）：

0.2 C 倍率下，所有电极的容量接近理论值（DP-xPDAA@Gr：155 mAh/g，WP-97：153 mAh/g），证明交联网络未影响活性材料的利用率； 5 C 倍率下，DP-xPDAA@Gr 的容量保持率达 65%，远高于 DP-bGr（45%）与 WP-97（50%）； 7 C 高倍率下，DP-xPDAA@Gr 仍能保持 50% 的容量，而 DP-bGr 与 WP-97 仅为 30% 与 35%（图 4b）。

高倍率性能优异的原因在于：

低离子曲折度缩短了传输路径，减少浓差极化；交联网络维持了电极结构稳定，避免高倍率下颗粒间接触失效，减少电荷转移极化。通过充放电曲线（图 4c）可见，DP-xPDAA@Gr 在 5 C 倍率下的放电平台电压（3.65 V）比 DP-bGr（3.55 V）高 0.1 V，证明极化更小。

2.2.3 长期循环寿命：低衰减与抗锂 plating 能力

1 C 倍率下（充电：CC/CV，放电：CC）的循环性能测试显示（图 5a）：

DP-bGr 循环 500 次后容量保持率仅 58.2%，且循环 100 次后衰减速率加快（从 0.05%/ 次增至 0.1%/ 次），源于机械开裂导致的活性物质流失； WP-99（仅 1 wt% binder）循环 500 次后容量保持率仅 23.0%，因 binder 不足导致严重分层； WP-97 循环 500 次后容量保持率为 82.6%，但循环后期（400 次后）出现容量跳水，源于锂 plating； DP-xPDAA@Gr 循环 500 次后容量保持率达 87.1%，平均衰减率仅 0.026%/ 次，且整个循环过程中容量衰减平稳，无明显跳水。

循环后电池拆解与表征揭示了差异的根源：

SEM 截面观察：DP-bGr 电极出现明显裂纹（宽度～5 μm），活性材料与集流体分离；WP-97 表面出现厚约 5 μm 的锂副产物层（Li₂CO₃、LiOH）；DP-xPDAA@Gr 电极结构完整，无裂纹或锂沉积（图 5b-d）； XPS 表面分析：WP-97 表面的 Li⁰（金属锂）特征峰（55.6 eV）面积占比达 15%，证明存在锂 plating；而 DP-xPDAA@Gr 的 Li⁰峰占比仅 2%，几乎无锂沉积；阻抗变化：DP-xPDAA@Gr 的电荷转移阻抗（Rct）循环 500 次后从 80 Ω・cm² 增至 120 Ω・cm²，增幅仅 50%；而 DP-bGr 的 Rct 增至 250 Ω・cm²，增幅 212%（图 5e），证明交联网络维持了电极结构完整性，减少阻抗增长。

三、工艺优势：可规模化与可持续性的双重保障

除性能突破外，该技术的核心竞争力还在于其与现有干法工艺的高度兼容性，以及对电池制造可持续性的显著贡献 —— 这两点是判断技术能否产业化的关键，具体优势如下。

3.1 工艺兼容性：无需改造现有产线，低成本扩展

原位交联策略完全依托干法电极的现有制造流程（粉末混合→捏合→层压→压延），仅需在 “粉末混合” 前增加石墨修饰步骤，无需新增设备或改变工艺参数，具体适配性分析如下：

3.1.1 石墨修饰步骤的可整合性

石墨修饰采用 “水溶液超声 - 搅拌 - 过滤 - 干燥” 的简单流程，可直接整合到现有石墨原料的预处理环节：

设备兼容：超声设备（功率 500 W）、搅拌罐（带温控）、真空过滤机均为电池厂现有设备（如正极材料的表面包覆预处理），无需新增投资；时间适配：整个修饰过程仅 20 分钟，干燥时间（60℃，2 小时）可与石墨的烘干除水流程合并，不增加总生产周期；成本可控：PD 与 PAA 的用量仅为石墨的 1-2 wt%（PD：0.5 wt%，PAA：0.5 wt%），原料成本增加仅 0.5 美元 /kWh（PD：20000 美元 / 吨，PAA：15000 美元 / 吨，石墨：5000 美元 / 吨），远低于湿法工艺的溶剂回收成本（2 美元 /kWh）。

3.1.2 干法制造流程的无改动适配

干法电极的核心工艺步骤（捏合、层压、压延）无需任何改动，仅需确认 80℃的工艺温度与交联反应的兼容性：

捏合阶段：80℃的温度设定与 PTFE 纤维化的最优温度一致（PTFE 在 80℃下易形成纤维，温度过低纤维化不足，过高纤维易断裂），交联反应与纤维化可同步进行，无需额外控温；层压与压延阶段：80℃的温度可进一步促进未完全反应的氨基与羧基缩合，确保交联充分，同时不影响电极的密度（目标 1.65 g/cm³）与厚度（81 μm）。

某电池企业的中试数据显示（1 MWh 产线），采用该技术的干法电极生产效率与纯 PTFE 干法电极持平（200 片 / 小时），良率从 85% 提升至 95%（因机械性能改善，裁切与卷绕过程中的报废率降低）。

3.2 可持续性：降低碳足迹与材料浪费，符合双碳目标

该技术从 “能耗、排放、材料” 三个维度推动锂离子电池制造的可持续性，具体贡献如下：

3.2.1 能耗降低与碳排放减少

生命周期评估（LCA）显示，DP-xPDAA@Gr 干法电极的全生命周期碳排放量为 85 kg CO₂eq/kWh，仅为湿法电极（140 kg CO₂eq/kWh）的 60%，主要节能环节包括：

省去干燥环节：湿法干燥环节能耗占电极制造总能耗的 60%（约 300 kWh / 吨电极），干法完全省去，每吨电极节能 300 kWh；无溶剂回收能耗：湿法 NMP 回收系统的能耗约 150 kWh / 吨电极，干法无需该环节；原料预处理能耗低：石墨修饰的能耗仅 20 kWh / 吨，远低于湿法浆料制备的 50 kWh / 吨。

按 2030 年全球 5TWh LIB 产能计算，若 50% 采用该干法技术，每年可减少碳排放 1.375 亿吨，相当于减少 3000 万辆燃油车的年排放量（每辆车年排放 4.5 吨 CO₂）。

3.2.2 材料利用率提升与废弃物减少

活性材料负载高：DP-xPDAA@Gr 的活性材料负载量达 99 wt%，比湿法电极（97 wt%）多 2%，每 GWh 电池可节省石墨原料 20 吨；涂覆浪费率低：湿法涂覆的边缘浪费率约 5%，而干法采用 “粉末层压” 工艺，浪费率仅 1%，每 GWh 电池可减少电极废弃物 4 吨； binder 用量少：仅 1 wt% 的 PTFE 用量，比湿法电极（2.5-3 wt%）减少 60%，降低 binder 成本与资源消耗。

此外，该技术的电极材料回收利用率更高 —— 交联网络在 600℃高温下可完全分解（PD-PAA 的分解温度为 400-500℃），石墨回收率达 95%，高于湿法电极的 90%（湿法电极的 binder 与活性材料结合紧密，分离难度大）。

四、行业定位与未来展望：干法电极产业化的 “加速器”

该技术不仅解决了干法电极的机械短板，还为行业提供了 “高性能 - 可持续 - 低成本” 的综合解决方案，其行业定位与未来扩展方向如下。

4.1 行业痛点与技术独特性

当前干法电极技术面临三大核心痛点：机械脆弱、性能不均、低温适应性差，该研究的原位交联策略针对性地解决了这些问题，其独特性体现在：

区别于 “加量 binder”：传统策略通过增加 PTFE 用量（3-5 wt%）增强机械性能，但会导致孔隙率下降与离子传输受阻；该技术通过化学交联增强，PTFE 用量仅 1 wt%，兼顾机械与电化学性能；区别于 “辐射交联”：Du 等学者提出的辐射交联（UV 或电子束）需额外设备，且辐射可能导致活性材料结构破坏；该技术利用干法自身温度原位交联，工艺更简洁；区别于 “碳材料复合”：Kim 等团队采用臭氧处理碳纳米管增强附着力，但臭氧处理易引入杂质，且碳纳米管成本高（100 美元 /kg）；该技术采用低成本 PD-PAA（<20 美元 /kg），性价比更高。

目前，丰田、松下等企业已在干法电极领域布局，但均未解决机械性能问题，该技术的突破有望加速干法电极的商业化进程，预计 2027-2030 年将实现 EV 级干法电池的量产。

4.2 未来扩展方向

4.2.1 高容量负极的适配

该技术可扩展到硅基、锡基等高容量负极（理论容量 > 1000 mAh/g），这类负极因体积膨胀率高（硅：300%），更需要机械稳健的电极结构：

初步实验显示，采用 PD-PAA 修饰的硅 - 石墨复合负极（硅含量 20%），干法电极循环 500 次后容量保持率达 75%，远高于未修饰的 50%；交联网络可通过弹性形变吸收硅的体积膨胀，减少电极开裂，未来有望实现硅基干法电极的实用化。

4.2.2 正极干法工艺的延伸

目前干法工艺多聚焦负极，该技术可扩展到正极（如 NCM、LFP）：

正极活性材料（如 NCM622）表面可通过类似 PD-PAA 修饰，增强与 PTFE 的结合；初步测试显示，PD-PAA 修饰的 NCM 干法正极，循环 500 次后容量保持率达 80%，与湿法正极相当，且无 binder 迁移问题。

4.2.3 与固态电池的协同

干法电极的多孔结构更适配硫化物固态电解质（渗透效率比湿法电极高 20%），而原位交联网络可增强电极与固态电解质的界面结合，减少界面阻抗：

采用 DP-xPDAA@Gr 干法负极与硫化物固态电解质（Li₇P₃S₁₁）组装的全电池，循环 300 次后容量保持率达 90%，界面阻抗仅从 50 Ω・cm² 增至 80 Ω・cm²；未来有望成为固态电池的核心电极技术，推动固态电池的产业化。

结语：干法电极技术的 “破局者”

原位交联石墨干法电极技术通过 “PD-PAA 修饰 + 原位交联” 的协同设计，成功破解了干法电极 “机械脆弱” 的核心瓶颈，实现了机械稳健性与电化学性能的双重突破 —— 循环 500 次容量保持率 87.1%，机械强度媲美湿法电极，同时保留干法工艺的无溶剂、低能耗优势，碳足迹降低 40%。

该技术的价值不仅在于性能突破，更在于其产业化潜力 —— 与现有干法产线高度兼容，成本仅增加 0.5 美元 /kWh，符合电池行业 “降本、提质、减碳” 的发展趋势。随着 EV 与 ESS 对电池性能、成本与可持续性的要求不断提升，该技术有望成为干法电极产业化的 “加速器”，推动锂离子电池制造从 “湿法主导” 向 “干法 - 湿法并存” 转型，为全球能源转型提供更高效、更可持续的能源存储解决方案。

发布于：江西省

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