Как ключевое устройство для нового накопления энергии прорывы в характеристиках литиево-ионных батарей всегда тесно связаны с итерацией технологических процессов изготовления электродов. От традиционного влажного процесса, основанного на органических растворителях в ранние периоды, до современного безрастворительного сухого процесса конкуренция и эволюция этих двух технических направлений не только изменили микроструктуру и границы характеристик электродов, но и направили энергонакопительные технологии к модернизации в направлении «высокая энергетическая плотность, низкая стоимость и лучшая экологичность». Разница между сухим и влажным процессами давно вышла за рамки простого выбора технологии — она стала ключевым фактором, определяющим пригодные сценарии применения, стоимость индустриализации и потенциал устойчивого развития систем накопления энергии.
Влажной процессом, как традиционной основной технологией изготовления электродов литиево-ионных батарей, руководит ключевая логика «растворитель как носитель + высокотемпературное отверждение»: активные материалы, проводящие добавки и связующие вещества (например, PVDF) смешиваются с использованием органических растворителей (например, NMP) до получения однородной суспензии. После нанесения на коллекторы тока суспензия высушивается при высоких температурах для удаления растворителя, а затем формуется посредством каландровки. Эта технология обладает высокой зрелостью и подходит для крупномасштабного производства, но её сущность — «достижение дисперсии материалов посредством растворителя» — неизбежно сопровождается врожденными ограничениями: сложность регенерации растворителя, высокая энергопотребляемость, слабая управляемость структуры. Энергопотребление процесса сушки составляет более 30% от общей энергопотребляемости изготовления электродов, а остатки растворителя также могут увеличить импеданс интерфейса электрода, влияя на цикл службы батареи.
Сухой процесс полностью преодолевает «зависимость от растворителя», его основа — «сухое смешивание + точная каландровка»: активные материалы, проводящие добавки и сухие связующие вещества (например, волокна PTFE, CMC) напрямую смешиваются посредством высокоскоростного сдвига до получения порошкового композита, а затем без использования растворителей плотно соединяются с коллекторами тока посредством каландровки. Этот процесс устраняет все этапы, связанные с закупкой растворителя, его сушкой и регенерацией — это не только исключает проблемы, связанные с растворителем (экологические, стоимостные), на исходном этапе, но и позволяет формировать лучшую микроструктуру электрода посредством точного контроля давления и температуры каландровки. Например, он более полностью сохраняет поры активных материалов, снижает обрушение микропор, вызванное влажной сушкой, и открывает более плавные каналы для транспорта ионов.
Если сравнивать схемы технологических потоков, влажный процесс представляет собой «многоэтапный, высокоэнергопотребляющий» линейный поток, включающий 5 ключевых этапов: «подготовка суспензии — нанесение — сушка — регенерация растворителя — каландровка». У него длинная цепочка оборудования и большой занимаемый площадь. Сухой процесс же упрощается до 3 этапов: «сухое смешивание — фиберизация — каландровка», что сокращает технологический поток на 40%. Инвестиции в оборудование и планировка цехов более гибкие, что делает его особенно подходящим для крупномасштабных производственных сценариев с высокими экологическими требованиями и ограниченным пространством.
Различия между двумя процессами в конечном итоге напрямую отражаются на ключевых характеристиках, стоимости индустриализации и адаптивности к сценариям применения литиево-ионных батарей, образуя явное «соперничество по преимуществам и недостаткам» и определяя границы применения энергонакопительных технологий на разных этапах.
При влажном процессе из-за объема, занимаемого растворителем, коэффициент загрузки активных материалов в электроде обычно не превышает 90%. Кроме того, испарение растворителя при сушке легко вызывает агломерацию частиц активных материалов, повреждая микропористую структуру электрода и ограничивая эффективность миграции ионов. Например, для высоконикелевых тройных положительных электродов коэффициент загрузки активных материалов при влажном процессе составляет около 4,5 мг/см², а максимальная плотность уплотнения — 3,8 г/см³. При сухом процессе посредством плотного смешивания коэффициент загрузки активных материалов можно увеличить до более чем 95%. В сочетании с технологией «низкотемпературной каландровки» плотность уплотнения высоконикелевых положительных электродов превышает 4,0 г/см³, а соответствующая энергетическая плотность литиево-ионных батарей может увеличиться с 200 Вт·ч/кг (влажной процесс) до более чем 230 Вт·ч/кг — это напрямую поддерживает увеличение пробега новых энергетических автомобилей с 500 км до 700 км.
Преимущество сухого процесса особенно выражено при применении кремниевых анодов. Кремниевые материалы имеют коэффициент объемного расширения до 400% при литировании. Электроды влажного процесса при циклировании легко растрескиваются из-за неравномерного распределения связующих веществ. Однако при сухом процессе посредством сухого компонования углеродных нанотрубок и кремниевой порошки формируется «гибкий проводящий каркас», который может ограничить коэффициент объемного расширения кремниевых анодов в пределах 15%. После 1000 циклов процент сохранения емкости достигает 85%, что значительно выше, чем 70% для электродов влажного процесса.
«Скрытые затраты» влажного процесса давно оставались вне внимания: для производства электродов литиево-ионных батарей мощностью 1 ГВт требуется более 500 тонн растворителя NMP. Инвестиции в оборудование для регенерации растворителя составляют 15–20% от общей стоимости производственной линии, а высокотемпературное нагревание (обычно 120–150 °C) при сушке потребляет большое количество электроэнергии. Кроме того, ПОВ (летучие органические вещества), образующиеся при испарении растворителя, требуют дополнительных инвестиций в обработку, а неправильная обработка может привести к риску экологических штрафов.
Сухой процесс достигает «взаимовыгодного результата» по стоимости и экологичности на исходном этапе: устранение этапов закупки и регенерации растворителя снижает производственную стоимость электродов на 1 ГВт на 15–20%; отказ от процесса сушки уменьшает энергопотребление изготовления электродов на 40%, что эквивалентно уменьшению выбросов углерода примерно на 800 тонн в год на одну производственную линию мощностью 1 ГВт. Согласно расчетам одной энергетической компании, после внедрения сухого процесса совокупная производственная стоимость литиево-ионных батарей снизилась на 12%, а одновременно компания получила местные экологические субсидии за «нулевые выбросы ПОВ», что дополнительно повысило конкурентоспособность её продукции на рынке.
Благодаря десятилетиям технического накопления влажный процесс vẫn доминирует в «зрелых сценариях» (потребительская электроника, традиционные тяговые батареи). В этих сценариях высокая чувствительность к стоимости и большой масштаб производства — устойчивость крупномасштабного производства влажного процесса может удовлетворить потребности. Например, литиево-ионные батареи для смартфонов имеют небольшой объем и относительно умеренные требования к энергетической плотности — зрелая технология электродов влажного процесса может обеспечить стабильность производительности при миллионном масштабе выпуска.
Однако сухой процесс активно проникает в «новые сценарии с высокими требованиями»: в сценариях накопления энергии при низких температурах (например, открытые станции накопления энергии в северных регионах) электроды сухого процесса не имеют остатков растворителя и сохраняют 85% емкости при –30 °C, что значительно выше, чем 70% для электродов влажного процесса; в области твердых батарей «твердо-твердой контакт» между электродами сухого процесса и твердыми электролитами более плотный — импеданс интерфейса снижается на 60%, что делает его ключевой поддерживающей технологией индустриализации твердых батарей; в портативных устройствах для накопления энергии тонкий дизайн электродов сухого процесса (толщина управляется в пределах 0,1 мм) уменьшает вес устройств на 20%, что лучше соответствует требованиям портативности.
Сухой и влажный процессы не находятся в отношении «либо-или» — при итерации технологий они постепенно образуют модель «сотрудничеческого дополнения», совместно продвигая модернизацию энергонакопительных технологий.
В краткосрочной перспективе влажный процесс сохранит свои преимущества в сценариях «крупномасштабное производство, низкая стоимость», но будет подвергаться оптимизации в направлении «низкое содержание растворителя, низкая энергопотребляемость» — например, использование водорастворимых связующих вместо NMP или разработка технологии низкотемпературной сушки для снижения экологических и энергетических затрат. В настоящее время некоторые компании представили «полусухой процесс», который уменьшает потребление растворителя на 50% при сохранении стабильности производства влажного процесса, став важным выбором на переходном этапе.
В среднесрочной и долгосрочной перспективе сухой процесс станет основным в сценариях «высокая энергетическая плотность, высокая безопасность, высокая адаптивность» и обеспечит три ключевых прорыва в энергонакопительных технологиях: первый — прорыв по энергетической плотности — посредством глубокой адаптации сухого процесса к высоконикелевым положительным электродам, кремниевым анодам и композитным электролитам к 2030 году энергетическая плотность литиево-ионных батарей, вероятно, превысит 300 Вт·ч/кг; второй — модернизация по безопасности — отсутствие остатков растворителя и плотный конструктивный дизайн уменьшают риск термического разрыва литиево-ионных батарей более чем на 50%, удовлетворяя высоким требованиям безопасности станций накопления энергии; третий — расширение границ сценариев — гибкий и тонкий дизайн электродов сухого процесса направит энергонакопительные технологии в новые области (носимые устройства, дроны, космическое накопление энергии).
Более важно, что итерация двух процессов запустит модернизацию всей цепочки поставок энергонакопительной отрасли: потребность сухого процесса в сухих связующих и точном каландровочном оборудовании стимулирует технологические инновации в предприятиях верхнего звена цепочки поставок материалов и оборудования; исследования влажного процесса в области низкотоксичных растворителей и эффективных технологий регенерации также ускорят развитие экологической химической промышленности. В конечном итоге образуется положительный цикл «итерация технологий — модернизация материалов — расширение сценариев», который предоставляет более эффективное и устойчивое решение для накопления энергии в рамках глобального перехода к чистой энергетике.
От «зрелости и стабильности» влажного процесса до «инноваций и прорывов» сухого процесса итерация технологий изготовления электродов литиево-ионных батарей по существу представляет собой постоянную адаптацию энергонакопительных технологий к трём ключевым требованиям: «характеристики, стоимость, экологичность». В будущем при дальнейшей интеграции и оптимизации двух процессов системы накопления энергии перестанут сосредоточиться на «отдельных характеристиках», а достигнут комплексный баланс — «совместное существование высокой энергетической плотности и высокой безопасности, баланс низкой стоимости и низких выбросов» — став реальным ключевым фундаментом, поддерживающим высококачественное развитие отрасли новых энергий.
