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作者与发表信息
本文由Nag-Young Kim、Jung-Hui Kim、Heejin Koo、Jihye Oh、Jung-Hyun Pang、Kyu-Dong Kang、Seong-Seok Chae、Jisup Lim、Kwan Woo Nam和Sang-Young Lee共同撰写，发表于ACS Energy Letters期刊，2024年10月31日出版。
主题与背景
本文的主题是干法电极技术在锂离子电池（LIBs）中的应用及其面临的材料挑战。随着全球气候变化的加剧，碳中和的需求日益迫切，锂离子电池作为电动汽车和低碳发展的关键组件，其高能量密度、高安全性和低成本的需求推动了干法电极技术的发展。传统的湿法电极制造过程中使用有毒溶剂（如N-甲基-2-吡咯烷酮，NMP），并且存在电极分层和组分分布不均等问题。干法电极技术通过直接涂覆粉末材料，避免了溶剂的使用，简化了制造流程，降低了成本和碳排放。
主要观点与论据
干法电极技术的优势：
- 干法电极技术通过热压、挤出、辊压、粉末喷涂和3D打印等技术，能够制造出厚电极，显著提高电池的能量密度。
- 干法电极制造过程减少了约46%的能源消耗和19%的成本，同时减少了二氧化碳排放。
- 干法电极的孔隙结构更发达，离子传输效率更高，电化学性能优于湿法电极。
干法电极材料的关键挑战：
- 聚合物粘合剂：干法电极中常用的聚偏氟乙烯（PVDF）和聚四氟乙烯（PTFE）粘合剂存在加工温度高、与集流体粘附力弱、电化学性能不佳等问题。PTFE虽然具有低摩擦系数和良好的氧化稳定性，但其还原稳定性较差，容易在低电压下发生副反应。
- 导电剂：干法电极中导电剂的团聚问题严重，影响了电子传导网络的均匀性。碳黑（CB）和单壁碳纳米管（SWCNTs）是常用的导电剂，SWCNTs具有更高的导电性和机械强度，但成本较高。
- 集流体：干法电极与集流体的界面稳定性较差，需要通过表面处理或涂层来增强粘附力。铝和铜是常用的集流体材料，铝的成本较低，但表面光滑，粘附力较弱；铜的导电性和机械强度更高，但成本较高。
材料创新与设计策略：
- 粘合剂设计：开发新型功能性粘合剂，如两亲性聚合物，能够同时调节与活性材料、导电剂和集流体的相互作用，提高电极的均匀性和粘附力。
- 导电剂优化：通过表面改性或涂层技术，减少导电剂的团聚，降低电子传导网络的渗透阈值，提高电极的导电性和机械强度。
- 集流体改进：通过化学蚀刻或涂层处理，增加集流体的表面粗糙度，提高与电极层的粘附力和界面稳定性。
干法电极技术的未来发展方向：
- 无氟材料开发：随着对全氟和多氟烷基物质（PFAS）的限制，开发无氟粘合剂成为迫切需求。羧甲基纤维素（CMC）和丁苯橡胶（SBR）等无氟粘合剂在湿法电极中已有应用，未来有望在干法电极中得到推广。
- 全固态电池兼容性：干法电极技术与全固态电池（ASSBs）兼容，能够避免湿法制造过程中固体电解质与极性溶剂的化学反应，提高电池的安全性和能量密度。
- 机器学习与建模：通过机器学习算法优化电极制造参数，预测电极性能，推动干法电极技术的规模化应用。
文章的意义与价值
本文综述了干法电极技术在锂离子电池中的应用及其面临的材料挑战，提出了通过材料创新和设计策略来克服这些挑战的路径。干法电极技术不仅能够显著降低电池制造成本和碳排放，还能提高电池的能量密度和安全性，具有广阔的应用前景。本文的研究成果为未来高能量密度、低成本的电池技术发展提供了重要的理论支持和实践指导。
亮点
- 本文详细分析了干法电极技术在锂离子电池中的应用优势及其面临的材料挑战，特别是粘合剂、导电剂和集流体的关键问题。
- 提出了通过材料创新和设计策略来优化干法电极性能的具体方案，如开发两亲性聚合物粘合剂、优化导电剂分散性和改进集流体界面稳定性。
- 展望了干法电极技术在无氟材料、全固态电池和机器学习建模等领域的未来发展方向，为电池技术的可持续发展提供了新的思路。