【复合材料信息】从实验室到大规模制造，如何实现锂电池的高能密度？

成果简介

实现高能密度电池成本竞争力的必要步骤是将电池技术从实验室推向大规模生产。但目前的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，从而限制了高能密度电池的产品设计。因此，提出扩大高容量电极片的生产势在必行。

这里，韩国延世大学Sang-Young 美国得克萨斯大学奥斯汀校区余桂华教授和韩国LG能源解决方案研究院Jee教授-Young Kim教授等人对电池能量密度、电极生产过程中的能耗以及电池生产成本效率的影响进行了评估。本文旨在简要介绍高容量电极的发展领域，通过分析可扩展的卷对卷电极制造技术(如浆体铸造和干镀层)与电极成分的材料化学、电极结构设计和电池性能的整合，为消除实验室创新与工业放大之间的差距提供结构化路径。

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

选题背景

汽车工业正从内燃机向电池驱动电动汽车（EVs）转型。EV市场需要能量密度≥350 Wh电池价格低于100美元/kg，kWh。虽然电池产业链取得了进步，包括开发高容量/高压活性材料、增加活性材料含量、增加电极密度、优化电池组体积效率等。，但学术研究大多集中在活性材料上，对电池模块级别的设计关注较少，这限制了高能密度电池的大规模生产。为了实现市场目标，学术界需要考虑适用于所有活性材料的电池级战略。通过增加活性材料面积的质量负载来设计高容量电极，不仅可以提高电池的能量密度，还可以通过降低非活性成分来降低成本，这对EV的广泛应用尤为重要。但是，在将实验室中先进的电极结构设计转化为工业规模生产时，需要从实际应用的角度来识别挑战。

研究方向

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、集流体和铝塑膜的外封装。关键指标是能量密度（Wh/kgcell-1)电动汽车的续航里程由电动汽车决定，其表达式如下：

RAM(电池中正极活性材料的质量分数)被定义为：

其中，MAM,cat是正极活性材料的质量载量，φAM,cat是正极中活性材料的质量成果。另外，Mcell代表电池的总质量，包括电化学活性成分(即正极Mcat)和负极Man以及非活性成分的质量，也就是隔膜Msep。、Melec和集流体Mcc的电解液。由于电池类型不同，包装材料的质量也不包括在这个计算中。与此同时，EAM是活性材料的比能量，其计算公式如下：

其中， VAM和QAM各自表示其标称电压和可逆比容量。

电极材料的普遍现状

如果电池的能量密度是正极活性材料的比容量值（QAM,cat）在绘制函数时，表现出直接的相关性。锂电池(图1a，蓝线)基于石墨/硅负极，QAM,cat从200 mAh/g增加到250 mAh/g，再到300 mAh/g，每个人都有14%的能量增益和10%的能量增益。尽管近几十年来对生成先进的正极活性材料进行了广泛的研究，但由于电化学的可靠性和成本限制，已经超过300。 mAh/g的QAM,cat值仍然具有挑战性。

这一限制可以通过使用锂金属电池来实现（LMB）利用锂金属负极(图1a、橙线)进行化学缓解，LMB具有最高的理论容量和最低的氧化还原电位。但是，使用传统的插层/去插正极(例如LFP)、LCO和NMC），QAM，cat值通常在170到230之间。 mAh在/g之间，LMB的能量增长仍然有限。例如，QAM，cat是200 mAh当比能量估计为345时，/g Wh/kg，即使QAM，cat也达到250。 mAh/g，比率也只有402 Wh/kg。这种定量分析表明，仅仅依靠现有的基于活性材料的方法并不能满足对高能密度电池的需求，从而促使大家寻找替代方案。

具体的电极战略可行性

按照公式(1)，电池比能量受到EAM(材料)和RAM(电池)的影响。更高的MAM，cat将增加公式(2)中分子与分母相比的比例，从而增加RAM。负正极面积容量比（N/P）与电解液的容量相比（E/C）在固定条件下，图1b显示，随着MAM和cat的增加，与非活性成分(橙色阴影)相比，电极的比例(蓝色阴影)更大。图1c显示了MAM,cat的功能，LIBs的比电池能量。QAM，cat是200 mAh将MAM、cat从15 mg/cm2增加到35 mg与能量相比，/cm2提高了14%，这将QAM、cat提高到250。 mAh/g产生的增益是相当的。对QAM来说，cat是250 mAh材料/g，MAM，cat从15 mg/cm2增加到35 mg/cm2，能量密度的增加和实现实际难以达到的300 mAh/g相当。这样就证明了电极级方法可以替代更高电池能量的方案。

图1. 高能密度电池的实际可行性是基于电极的方法。

卷对卷高面积容量电极的挑战

本节总结了卷对卷(R2R）生产高容量电极及物理化学问题，重点关注浆体铸造(图2a)和干镀层(图2b)工艺。浆料铸造电极的制造始于以粉末的方式分散活性材料和导电添加剂，然后加入溶解在溶剂中的粘合剂，形成电极浆料。商用浆料铸造采用狭缝管涂布，适用于高速(>100) m/min）并且可扩展应用(涂布总宽度>15000 mm），而且可以通过调节料管与集流体之间的间隙来调节涂层厚度。但是，增加涂层厚度会导致薄厚变化不理想，扩大边缘上升区域。这是由于浆体-料管页面的流体力学紊乱(如边缘应力效应和料管膨胀)以及溶剂干燥速率的不均匀性所致。这种不均匀性导致电极横向负荷不均匀。所以，负荷较低的区域经历了较高的充放电深度，而负荷较高的区域在压延过程中应力过大，可能加速衰退。另外，局部N/P比的差异可能导致负极上析锂。干燥涂层工艺消除了对加工溶剂的需求，避免了与浆体铸造高容量电极相关的涂层和干燥问题。但是，实现电极成分的均匀分散仍然是一个挑战。

图2. 生产和理化R2R高容量电池电极的挑战。

高容量电极的电化学问题

电池充电/放电过程涉及多种复杂的电化学电阻类型，包括通过集流体/电极传输电子（Re）、在体相电解液中传递离子（Rh）、离子体通过电极孔传递（Rion）、活性材料表面的电荷转移（Rct）还有活性材料内部的固体扩散。电子和离子的传输路径在薄电极中相对较短，电荷转移（Rct）电池的综合性能以固体扩散为主。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的增加，在限制性能方面发挥了更为显著的作用。这一差异源于每一种电阻类型随电极厚度变化的几何形状。图3a显示了厚正极锂化过程中的电子和离子传输现象。通过外部电路和集流体在负极处氧化产生电子，其浓度逐渐降低到正极顶部。在浆体铸造的高容量电极中，导电添加剂在溶剂干燥过程中向上转移，导致底部区域电子透水性差，增强了厚度方向的电子电阻。所以，电化学反应主要发生在集流体电子聚集区附近，而电子缺乏的顶部区域则保持不活跃。导电添加剂在干式镀层电极中的不均匀分布进一步加剧了电化学反应的不均匀性。

图3. 电化学挑战大容量电池电极。

材料化学可以扩展高面积容量电极

影响高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、材料特性和提出的解决方案。活性材料：在压延和层压过程中施加的高压往往会导致活性材料开裂。所以，结构耐用活性材料具有足够的弹性模具、硬度和界面断裂强度是首选。粘合剂:粘合剂保证了电极的内聚性和与集流体的强附着力，在生产和运行过程中保持了结构的完整性。粘合剂的物理特性必须避免干燥过程中电极开裂和缠绕过程中的分层等问题。粘合剂的韧性是粘合剂在失效前吸收能量的关键因素，有利于承受干燥引起的拉伸应力。电导添加剂：电导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。根据渗入阀值理论，复合材料中的电子传导网络可以通过增加添加剂比例或使用低渗透阀值的添加剂来提高电导率。集流体：集流体传输电子，并为大面积电极提供均匀的电子分布和与外部电路的连接。其表面特性影响电极浆体或电极膜的附着力，影响电极的产量和性能。对干式镀层，通过机械互锁实现粘附，集流体表面嵌入电极膜。

表1. 材料化学研究可扩展的高容量电极

大面积容量电极制备的规模化战略

为实现高容量电极的大规模生产，本文采用材料化学、卷对卷(R2R）在制造、电极结构设计、电池性能等方面进行了系统发展的趋势整理(图4)。电极组分的元素含量、材料成本和合成成熟度除了性能提高外，对于保证实际应用尤为重要。实际应用中，高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，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。另外，采用微电场等先进的制造技术，（μ-EF）工艺，可在不牺牲功率性能的情况下制造超厚电极，从而实现较高的面积容量。这不仅有助于提高电池的能量密度，而且可以降低成本，促进高能密度电池技术的商业应用。尽管高面积容量电极在能量和成本效率方面具有明显的优势，但是它们也需要仔细的管理来衡量。在不解决相关实际挑战的情况下，防止盲目追求高面积容量尤为重要。在考虑整体电池级因素的同时，对未来的研究应该致力于在性能和可制造性之间实现最佳平衡。

图4. 高面积容量电池电极的可扩展趋势。

结论展望

综上所述，本综述强调通过可扩展的卷对卷(R2R）实现高容量电极制造技术的重要性，重点关注浆体铸造和干式镀层。在研究材料和电极特性时，电池技术的初步开发通常始于实验室规模、小型实验室设备的应用。但是，这些初步研究往往忽略了大规模生产和特定应用程序的固有复杂性。把对工业流程的理解融入到学术研究中，就是提高技术准备水平。（TRLs）的关键。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41560-025-01720-0

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原题：“【复材信息】从实验室到大规模制造，如何实现锂电池的高能密度”

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