KarlsruheInstitute of Technology (KIT)的研究人員已經開發(fā)并成功測試了一種兩層電極同時涂覆和干燥的創(chuàng)新概念。干燥時間可縮短至20秒以下，相當于平時生產時間的一半，減少到三分之一，電池無容量損失。在這一概念的幫助下，鋰離子電池的生產速度更快，成本更低。研究結果發(fā)表在《能源技術》雜志上。
多層電極截面的掃描電子顯微鏡:不同的活性材料用于層，并同時應用。來源：Joyce Schmatz, MaP - Microstructures and Pores GmbH, and JanaKumberg, KIT
電動汽車將是未來交通的關鍵。這將導致對大功率廉價電池的需求不斷增長。在鋰離子電池中，電極層具有決定性的重要性，因為這些活性材料儲存能量。然而，涂層和隨后的電極干燥造成電池生產成本的大部分。降低成本的巨大潛力在于過程工程。
參考漿液的低溫- bib - sem顯微圖
以WilhelmSchabel教授和PhilipScharfer博士為首的薄膜技術(TFT)小組的研究人員已經在這一領域進行了多年的研究。他們已經成功地大大提高了涂覆速度，并開發(fā)了一種創(chuàng)新的干燥工藝。現在，該團隊將涂層和干燥結合在一起。該研究結果發(fā)表在《能源技術》雜志上，主要作者是KIT的博士研究員Jana Kumberg。TFT在全球最大的電池研究平臺之一——Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe電化學儲能中心開發(fā)電極生產技術。
更便宜的生產
Schabel解釋說:“我們的工作表明，原則上，我們管理了生產電池所需的所有步驟，從而在未來不影響質量的情況下以更低的成本生產電池。”在通常的電極干燥時間高達1分鐘，生產速度每分鐘100米以上，需要很長的干燥線。對于具有高鍍層重量的電極，這是很難實現的，而且非常昂貴。新概念是基于使用不同的活性材料，并同時應用它們的想法。一層負責粘附，另一層負責特定容量。這種層狀結構使制造在非常高的干燥速度，干燥次數縮短到三分之一。
插圖2電極測試:在3C快充情況下，快干多層和慢干單層容量無差異。正如所料，迅速干燥的單層表現出相當大的損失。來源：Jana Kumberg, KIT
電極層的特性分布
盡管減少了干燥時間，沒有能力損失發(fā)生。電池的續(xù)航時間保持不變，也適用于所謂的3C循環(huán)，即20分鐘的快速充電。在他們的研究中，科學家們在陽極的厚度上應用了不同的活性材料，因此不同的性能分布在電極層中。通過這種方式，電極可以定制，并具有更好的機械和電化學性能。“我們已經取得了首批有希望的成果，”Schabel說。“現在，我們將致力于工業(yè)實施。”目前，該集團正致力于將同步概念轉化為工業(yè)規(guī)模。為此，它測試了純對流干燥與高性能噴嘴和激光干燥模塊。
圖3 活性材料的選擇以及混合過程對料漿的微觀結構和干燥電極的微觀結構有很大的影響。對該結構的了解有助于理解活性物質和添加劑之間的相互作用。因此，不同漿液在干燥前的微觀結構通過低溫-寬離子束(BIB) -掃描電子顯微鏡(SEM)進行了說明，如圖所示。活性材料和粘結劑建立的網絡在這些顯微照片中清晰可見。為了更好地理解，在每張概覽圖(紅色矩形)中突出顯示了各自漿體中CMC網絡形成的一些示例性結構。
圖5 低溫bib - sem截面的制備過程如圖1所示。漿液被涂上一層，然后直接用氮泥漿凍結。用金剛石鋸和BIB在低溫條件下制備橫截面。在表面毛細管中的溶劑被升華而不改變非揮發(fā)性成分的結構。
聯(lián)邦教育和研究部(BMBF)在不同的研究集群項目中提供超過500萬歐元的研究資金。Schabel說:“我們的研究表明，原則上可以將電池的生產速度提高兩到三倍。”現在，研究結果被轉移到其他材料上，并用于優(yōu)化poly - post鋰存儲集群內鈉離子電池的電極。
來源Reduced Drying Time of Anodes for Lithium‐IonBatteries through Simultaneous Multilayer Coating, EnergyTechnology (2021). DOI: 10.1002/ente.202100367
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