[电池完全征服](30)连特斯拉都未攻克的干法电极，LG能源解决方案会率先推出吗

by Kang Heejong

Published 30 Mar.2024 08:00(KST)

Updated 01 Apr.2024 07:48(KST)

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编者按当下是电池时代。手机、笔记本电脑、电动汽车等几乎所有地方都有电池。[电池完全征服]专栏面向想了解电池的一般读者、学生，以及关注电池产业和相关企业的投资者，力图以通俗易懂的方式介绍电池基础知识与生态体系、企业信息、产业走势与前景。每周六与各位见面。

[电池完全征服](30)连特斯拉都未攻克的干法电极，LG能源解决方案会率先推出吗

本月初在首尔江南COEX举办的“InterBattery 2024”上，有一场备受关注的会议——来自德国弗劳恩霍夫材料与光束技术研究所（IWS）关于干式电极（dry electrode）的发布。尽管几乎没有宣传，演讲现场仍座无虚席。

这一景象最近在所有有关干式电极技术动向的发布会和演讲中都在重演。干式电极已经成为下一代电池的主要趋势之一，也是从不缺席的热门话题。

业界对干式电极的关注度提升，始于特斯拉在2020年9月“电池日”上宣布将在4680圆柱电池中导入该技术。从那以后已经过去4年，但特斯拉至今仍未完全攻克干式电极技术，可见其难度之大。

宣布将从今年8月开始量产4680圆柱电池的LG能源解决方案，起初也不是采用干式，而是采用传统湿式工艺（wet electrode）生产。其他采用46系（直径46毫米）圆柱电池的企业，也尚未开发出达到商业化水平的干式电极。

干式电极不仅可以提高电池生产效率、扩大能量容量，还被视为环保技术。在厚电极、全固态电池等领域也被寄予厚望，可谓“八面玲珑”的技术。

在电池材料领域，头部企业之间的技术实力正在趋于同质化。中国宁德时代也在快速追赶曾被视为韩国电池企业强项的NCM（三元系镍·钴·锰）电池技术。

因此，专家建议韩国企业应通过干式电极等工艺创新，再次实现突破。如果韩国企业能先于特斯拉完成干式电极技术，就有望甩开竞争对手，牢牢掌控全球电池市场的主导权。

干式电极，为何是“八面玲珑”

迄今为止，电池的正极和负极一直采用湿式工艺制造。将正极或负极活性物质与导电剂、粘结剂一同加入溶剂（solvent）中，在搅拌机中混合，即可得到具有黏性的浆料（slurry），这一步称为混料工序。

随后，将浆料薄薄地涂覆在集流体上（正极为铝箔，负极为铜箔），这是涂布工序。涂布后的正极和负极通过配有高温热风机的干燥炉时，溶剂挥发，电极固化变硬，这就是干燥工序。干燥后的正负极再通过压延机压紧。

各道工序固然都重要，但其中成本和占地最大的是干燥工序。通常，涂布设备与干燥设备相连，其长度往往长达数十米至100米。

此外，在湿式工艺中制作正极浆料时，会使用一种名为NMP（N-Menthyl-2-Pyrrolidone，N-甲基吡咯烷酮）的有机溶剂。由于NMP价格昂贵且具有毒性，电池电芯制造企业必须配套运行NMP回收系统。这类NMP回收装置高度也达20～30米，相当于一栋高层公寓。

取消上述干燥过程，直接将活性物质—导电剂—粉末状颗粒涂覆在集流体上的技术，就是干式电极。干式电极省略了干燥工序，因而可以简化制造流程，大幅降低设备投资成本。由于不再需要占地巨大的干燥设备，同一空间内可以生产更多电池，这也是一大优势。

每当出现“电动车究竟是否环保”的争论时，电池制造工艺总会成为讨论焦点。电动车本身不排放温室气体，但在电动车制造过程中会排放碳并破坏环境，这一点一直饱受批评，其中典型代表就是占电动车制造成本约40%的电池。

在电池制造工序中，尤其是NMP的干燥和回收环节，需要消耗大量电能，从而成为温室气体排放的来源。研究结果显示，在湿式制造过程中，仅溶剂干燥一项，就会在每千瓦时电池产能上产生42千克二氧化碳，同时还会向大气中排放挥发性有机化合物（VOC，Volatile Organic Compound）等环境污染物。

相比之下，干式电极没有溶剂干燥和回收过程，因此电能消耗较少，也不会排放VOC，从工艺角度可称为环保技术。

湿式工艺在提升电池性能方面也构成一定限制。为了提高能量密度，电极越厚越好，这类电极被称为厚电极。

在湿式工艺中，由于溶剂与材料之间存在分层现象，难以制备厚电极。活性物质、导电剂、粘结剂等各组分的比重不同，如果涂布过厚，粘结剂和导电剂就会向电极表面上浮。在湿式工艺中，很难将电极厚度涂布到约100微米（μm）以上。

采用干式工艺，则可以在没有分层现象的情况下，使活性物质—导电剂—粘结剂均匀分散，从而实现厚电极制备，并由此提升电池容量和能量密度。

特斯拉仍未完成，“4680仅在负极采用干式”

特斯拉在2019年收购了拥有干式电极技术的超级电容企业Maxwell Technologies，随后在次年2020年9月的“电池日”上宣布将引入干式电极。特斯拉虽在两年后的2021年又将Maxwell转售给UCAP，但已经掌握了干式电极技术。

特斯拉原计划在4680圆柱电池上全面采用干式电极，但看来遇到了阻碍。特斯拉目前在得克萨斯州奥斯汀超级工厂生产4680电池，并搭载于Cybertruck。专家实际获取特斯拉4680电池进行分析后发现，该电池仅在负极采用了干式电极，正极仍为传统湿式电极。

特斯拉为何至今仍未能在正极上应用干式电极工艺，外界尚不得而知。不过有分析认为，干式电极工艺的良品率偏低，尚不足以支撑大规模量产。有外媒报道，4680电池的低良品率甚至已经影响到Cybertruck的产量。

干式涂布工艺的原理虽然简单，但在实际落地过程中，每个阶段都存在不小的技术难题。从不使用溶剂却要实现活性物质、导电剂、粘结剂的均匀混合开始，就并非易事，而将不具黏性的粉末均匀涂覆在集流体上更是难上加难。

一旦良品率偏低，生产成本就会上升。原本是为了降低成本而导入干式电极，结果反而可能成为成本上升因素。

特斯拉4680电池的性能目前也被认为尚未达到预期。德国汽车咨询企业P3 Group对仅在负极采用干式工艺的特斯拉4680电池，与采用湿式电极工艺的中国国轩高科4695电池进行了对比分析，结果显示，特斯拉产品的能量密度更低。

中国4695电池的质量能量密度为281瓦时（Wh）/kg，而特斯拉4680仅为227Wh/kg。这与既有认知中“采用干式电极可以提升容量和能量密度”的概念相悖。

根据P3 Group的分析，特斯拉4680电池的负极厚度是对比样品中国产品的1.5倍。然而，负极未掺入硅而仅使用纯石墨，因此其能量容量反而偏低。

检测还发现，负极中含有大量氟元素，推测是因为使用了PTFE（PolyTetraFluoroEthylene，聚四氟乙烯）粘结剂。为了适应干式工艺，需要提高PTFE粘结剂的含量，导致活性物质比例下降、容量降低。（关于PTFE粘结剂，可参见“电池完全征服”第29期）

除特斯拉之外，目前国内外已公布的46系圆柱电池全部采用湿式工艺生产。LG能源解决方案计划在8月量产的4680电池，将在正负极两侧都采用湿式工艺。据悉，该电池将供货特斯拉。三星SDI、金阳推出的46系电池同样采用湿式电极工艺制造。

干式电极，谁走在最前面

由于干式电极技术尚未成熟，目前还没有固定成型的标准工艺。迄今为止较为人知的干式电极制备技术，按涂布方式可分为Maxwell方式、弗劳恩霍夫IWS方式（直接压延）、静电喷涂方式等。

其中，Maxwell方式最为知名，技术成熟度也较高。其工艺是先将活性物质、导电剂与PTFE粘结剂混合，将所得粉末投入卷对卷（roll to roll）设备，利用PTFE纤维化现象制成薄膜，再将该薄膜压延涂覆在集流体上即可。

由于Maxwell方式是将活性物质先制成薄膜，再单独加工，因此也被称为自由支撑（free standing）方式。该方式稍有不慎就可能导致薄膜撕裂或拉伸变形，对工艺诀窍要求极高。据悉，Maxwell和特斯拉在这一领域持有大量专利。

弗劳恩霍夫IWS采用的是直接压延（direct calendering）方式，即先在压延机中制备干式电极，然后立即通过卷对卷设备将其涂覆在集流体上。弗劳恩霍夫IWS表示，使用其设备可将原本长达100米的涂布干燥设备缩短至10米以内。

由于弗劳恩霍夫IWS方式在生产电极的同时直接完成涂布，生产速度较快，但与Maxwell方式一样，机械强度偏低是其短板。弗劳恩霍夫IWS与德国设备企业Saueressig联合开发了直接压延技术。Saueressig也为特斯拉供应电池电芯设备，因此外界认为特斯拉采用干式电极时，很可能会选用直接压延方式。

Fraunhofer IWS的干式电极技术。图片来源=Fraunhofer IWS

近期备受关注的技术之一是静电喷涂方式。该方式利用静电原理，通过喷涂枪将电极粉末喷洒在集流体上，然后通过压机进行加压成型。

美国初创企业AM Battery正在采用静电喷涂方式。该公司于去年12月获得来自Toyota Ventures、Porsche Ventures、旭化成等机构的B轮投资，金额达3000万美元，累计融资额达到6000万美元。

静电喷涂方式的优点是可以在大面积集流体上实现均匀涂覆，但其缺点是制备速度较慢。为了适应喷涂工艺，需要提高粘结剂含量，导致活性物质比例下降，从而使容量和能量密度降低，这也是亟待解决的问题之一。

AM电池干法工艺示意图。图片由AM电池提供

此外，大众汽车在2023年6月宣布，将与德国印刷设备专业企业Koenig & Bauer共同开发干式电极工艺，并计划在2027年前实现工业化生产。但大众与Koenig & Bauer具体采用何种方式开发干式电极，目前尚未对外披露。

在韩国国内，干式电极技术最为领先的企业被认为是LG能源解决方案。据称，在特斯拉收购Maxwell Technologies之前，LG能源解决方案已经与该公司共同开展干式电极研究。

LG能源解决方案目前在大田的技术研究院研究电极干式工艺。同时，在忠北梧仓Energy Plant 2新建的OC10厂房内，也计划搭建用于干式电极生产的试验线。

LG能源解决方案首席技术官(CTO) Kim Jeyoung 在 InterBattery 2024 主题演讲中讲解干式电极。照片由记者 Kang Heejong 提供

LG能源解决方案被认为已经接近干式电极量产阶段。电池业界甚至预测，LG能源解决方案有望先于特斯拉实现正极干式电极的量产。首席技术官（CTO）Kim Jeyoung在InterBattery 2024上表示，“针对多种正极材料的试验线开发几乎已经完成，已接近准量产水平”。

韩国能源技术研究院则通过国家科学技术研究会（NST）课题“面向碳中和高能量密度电池的材料/工艺创新融合解决方案开发”推进干式电极研发。该课题的目标是开发碳纳米管（CNT）干式导电剂、无需溶剂即可实现分散的无溶剂粘结剂，以及适用于干式工艺的全新高容量硅系复合活性物质。

韩国电气研究院、韩国材料研究院、韩国科学技术研究院等公共机构，以及三星SDI、Hanwha Momentum、Cheonbo等民间企业均参与了该课题。韩国能源技术研究院在干式电极开发方面也被认为已取得相当进展。负责统筹该研究的韩国能源技术研究院研究员Kim Jinsu表示：“计划在2026年8月前完成课题，目前正基于研究成果申请多项专利。”