NatureEnergy综述：从实验室走向大规模制造，如何实现锂电池高能量密度

锂电联盟会长 2025-03-05 09:02 242浏览 0评论 0点赞

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第一作者：Jung-Hui Kim, Nag-Young Kim, Zhengyu Ju

通讯作者：Je-Young Kim, Guihua Yu, Sang-Young Lee

通讯单位：韩国延世大学，美国得克萨斯大学奥斯汀分校，韩国LG能源解决方案研究院

【成果简介】

将电池技术从实验室推向大规模生产是实现高能量密度电池成本竞争力的必要步骤。然而，目前学术研究主要集中在电极的活性材料上，对电池级的设计关注较少，从而限制了实用化高能量密度电池设计。因此，提出扩大高面积容量电极片的生产势在必行。

在此，韩国延世大学Sang-Young Lee教授，美国得克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授和韩国LG能源解决方案研究院Je-Young Kim教授等人评估了高面积容量电极对电池能量密度、电极制造过程中的能耗以及电池生产成本效率的影响。通过研究可扩展的卷对卷电极制造技术（如浆料浇铸和干法涂层）与电极组分的材料化学、电极结构设计和电池性能的整合，旨在概述高面积容量电极的发展领域，并为弥合实验室创新与工业放大之间的差距提供一条结构化的路径。

相关研究成果以“Upscaling high-areal-capacity battery electrodes”为题发表在Nature Energy上。

【研究背景】

汽车行业正从内燃机向电池驱动的电动汽车（EVs）转型。EV市场需要能量密度≥350 Wh/kg的电池，且价格低于100美元/kWh。尽管电池全产业链取得进展，包括开发高容量/高电压活性材料、提高活性材料含量、增加电极密度和优化电池包体积效率等，但学术研究多集中在活性材料上，对电池单元级别的设计关注较少，这限制了高能量密度电池的规模化生产。为实现市场目标，学术界需考虑适用于所有活性材料的电池级策略。通过增加活性材料的面积质量负荷来设计高面积容量电极，不仅能提高电池能量密度，还能通过减少非活性成分降低成本，这对于EV的广泛采用至关重要。然而，将实验室中的先进电极结构设计转化为工业规模生产时，需要从实际应用角度识别挑战。

【研究内容】

电池通过电化学反应储存和释放能量，其关键组成包括正极、负极、隔膜、电解液、集流体和外部封装铝塑膜等。关键指标为能量密度（Wh/kg_cell^-1），决定了电动汽车的续航里程，其表达式为：

R_AM（正极活性材料在电池中的质量分数）被定义为：

其中，M_AM,cat是正极活性材料的质量载量，而φ_AM,cat是正极中活性材料的质量分数。此外，M_cell代表电池的总质量，包括电化学活性组分的质量（即正极M_cat）和负极M_an以及非活性组分的质量即隔膜M_sep、电解液M_elec和集流体M_cc。包装材料的质量未包含在这一计算中，因为它会因电池类型而异。同时，E_AM是活性材料的比能量，其计算公式为：

其中， V_AM和Q_AM分别表示其标称电压和可逆比容量。

普遍电极材料的现状

当电池的能量密度作为正极活性材料的比容量值（Q_AM,cat）的函数绘制时，显示出直接的相关性。在基于石墨/硅负极的锂离子电池中（图1a，蓝线），Q_AM,cat从200 mAh/g增加到250 mAh/g，再到300 mAh/g，分别带来了14%和额外10%的能量增益。尽管在过去几十年中对合成先进的正极活性材料进行了广泛研究，但由于电化学稳定性和成本限制，实现超过300 mAh/g的Q_AM,cat值仍然具有挑战性。

这种限制可以通过利用锂金属电池（LMB）化学来缓解，LMB利用锂金属负极（图1a，橙线），其具有最高的理论容量和最低的氧化还原电位。然而，使用传统的插层/去插层型正极（如LFP、LCO和NMC），其Q_AM,cat值通常在170到230 mAh/g之间，LMB的比能量增加仍然有限。例如，当Q_AM,cat为200 mAh/g时，比能量估计为345 Wh/kg，即使Q_AM,cat达到250 mAh/g，比能量也仅为402 Wh/kg。这一定量分析表明，仅靠现有的基于活性材料的方法还不足以满足对高能量密度电池的需求，从而促使人们寻找替代解决方案。

电极策略的实际可行性

根据公式（1），电池的比能量受其E_AM（材料方面）和R_AM（电池方面）的影响。更高的M_AM,cat会增加公式（2）中分子相对于分母的比例，从而提高R_AM。在负正极面积容量比（N/P）和电解液与容量比（E/C）固定的情况下，图1b显示，随着M_AM,cat的增加，电极的比例（蓝色阴影）相对于非活性组分（橙色阴影）扩大。图1c显示了LIBs的比电池能量作为M_AM,cat的函数。当Q_AM,cat为200 mAh/g时，将M_AM,cat从15 mg/cm²增加到35 mg/cm²，比能量提高了14%，这与将Q_AM,cat提高到250 mAh/g所带来的增益相当。对于Q_AM,cat为250 mAh/g的材料，将M_AM,cat从15 mg/cm²增加到35 mg/cm²，能量密度的增加与实现实际难以达到的300 mAh/g相当。这证明了电极级方法作为实现更高电池能量的替代方案的可行性。

图1. 基于电极的方法实现高能密度电池的实际可行性。

卷对卷高面积容量电极的挑战

本节概述了卷对卷（R2R）生产高面积容量电极的制造和物理化学问题，重点关注浆料浇铸（图2a）和干法涂层（图2b）工艺。浆料浇铸电极的制造始于将活性材料和导电添加剂以粉末形式分散，随后加入溶解在溶剂中的粘结剂以形成电极浆料。商业浆料浇铸采用狭缝式模头涂布，适用于高速（>100 m/min）和可扩展的应用（涂布宽度>1500 mm），并且能够通过调整模头与集流体之间的间隙来调节涂布厚度。然而，增加涂布厚度会导致不理想的厚度变化，扩大边缘抬升区域。这种现象归因于浆料-模头界面的流体动力学失衡（例如，边缘应力效应和模头膨胀）以及溶剂干燥速率的不均匀性。这些不均匀性导致电极在横向方向上的负载不均匀。因此，负载较低的区域经历更高的充放电深度，而负载较高的区域在压延过程中承受过大的应力，可能会加速退化。此外，局部N/P比的差异可能导致负极上析锂。干法涂层工艺消除了对加工溶剂的需求，避免了浆料浇铸高面积容量电极相关的涂层和干燥问题。然而，实现电极组分的均匀分散仍然是一个挑战。

图2. R2R高容容量电池电极的制造和理化挑战。

高面积容量电极的电化学问题

电池的充电/放电过程涉及多种复杂的电化学电阻类型，包括电子通过集流体/电极的传输（Re）、离子在体相电解液中的传输（Rh）、离子通过电极孔隙的传输（Rion）、活性材料表面的电荷转移（Rct）以及活性材料内部的固态扩散。在薄电极中，电子和离子的传输路径相对较短，电荷转移（Rct）和固态扩散主导了电池的整体性能。然而，随着电极厚度的增加，电子和离子的传输路径变长，导致Re和Rion增加，在限制性能方面发挥更显著的作用。这种差异源于每种电阻类型随电极厚度变化的几何形状。厚正极在锂化过程中的电子和离子传输现象如图3a所示。在负极处通过氧化产生的电子，通过外电路和集流体传输，其浓度向正极顶部逐渐减小。在浆料浇铸的高面积容量电极中，溶剂干燥过程中导电添加剂向上迁移，导致底部区域电子渗透性差，增加了厚度方向上的电子电阻。因此，电化学反应优先在靠近集流体的电子富集区域发生，而电子匮乏的顶部区域则保持不活跃。在干法涂层电极中，导电添加剂的不均匀分布进一步加剧了电化学反应的不均匀性。

图3. 高面积容量电池电极的电化学挑战。

可扩展高面积容量电极的材料化学

影响高面积容量电极制造可扩展性和电化学可靠性的材料化学类型，需要重点关注关键问题、根本原因、材料特性及提出的解决方案。活性材料：在压延和层压过程中施加的高压力常导致活性材料开裂。因此，具有足够弹性模量、硬度和界面断裂强度的结构耐用活性材料是首选。粘结剂：粘结剂确保电极的内聚性和与集流体的强粘附力，在制造和运行过程中保持结构完整性，粘结剂的物理特性必须防止诸如干燥过程中的电极开裂和卷绕过程中的分层等问题。一个关键因素是粘结剂的韧性，在失效前吸收能量的能力，这有助于承受干燥引起的拉伸应力。导电添加剂：导电添加剂提供电子传导路径，其形态影响电极的电导率和机械强度。复合材料中的电子传导网络遵循渗透阈值理论，可以通过增加添加剂比例或使用低渗透阈值的添加剂来提高电导率。集流体：集流体传输电子，并在大面积电极上提供均匀的电子分布以及与外部电路的连接。其表面特性影响与电极浆料或电极膜的粘附性，影响电极的制造产量和性能。对于干法涂层，通过机械互锁实现粘附，电极膜嵌入集流体表面。

表1. 可扩展的高面积容量电极的材料化学研究

高面积容量电极制备的规模化策略

为了实现高面积容量电极的规模化生产，本文从电极组分的材料化学、卷对卷（R2R）制造、电极结构设计和电池性能等方面进行了系统性的发展方向梳理（图4）。除了性能提升外，电极组分的元素含量、材料成本和合成成熟度对于确保实际应用至关重要。在实际应用中，高面积容量电极的开发需要综合考虑材料的电化学性能和制造工艺的可扩展性。例如，通过优化电极结构设计，可以显著提高电极的离子和电子传输效率。此外，采用先进的制造技术，如微电场（μ-EF）工艺，可以在不牺牲功率性能的情况下制造超厚电极，从而实现更高的面积容量。这些策略不仅有助于提高电池的能量密度，还能降低生产成本，推动高能量密度电池技术的商业化应用。尽管高面积容量电极在比能量和成本效率方面具有显著优势，但它们也存在需要谨慎管理的权衡。避免盲目追求高面积容量而不解决相关实际挑战至关重要。未来的研究应专注于在性能和可制造性之间实现最佳平衡，同时考虑整体电池级因素。

图4. 可扩展的高面积容量电池电极的发展方向。

【结论展望】

综上所述，本综述强调了通过可扩展的卷对卷（R2R）制造技术实现高面积容量电极的重要性，重点关注浆料浇铸和干法涂层。电池技术的初步开发通常始于实验室规模，研究材料和电极特性时使用小型实验室设备。然而，这些早期研究往往忽视了大规模生产和特定应用挑战所固有的复杂性。将对工业流程的理解整合到学术研究中，是提高技术准备水平（TRLs）的关键。

来源：能源学人

【文献信息】

Jung-Hui Kim, Nag-Young Kim, Zhengyu Ju, Young-Kuk Hong, Kyu-Dong Kang, Jung-Hyun Pang, Seok-Ju Lee, Seong-Seok Chae, Moon-Soo Park, Je-Young Kim, Guihua Yu, Sang-Young Lee, Upscaling high-areal-capacity battery electrodes, Nature Energy, https://doi.org/10.1038/s41560-025-01720-0

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