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干法电极技术面临的挑战和解决策略

梁鹏程 ,  杨重阳 ,  吴明霞

化学进展 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (6) :1112-1125

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化学进展 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (6) :1112-1125 DOI: 10.7536/PC20251122
综述与评论
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干法电极技术面临的挑战和解决策略

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Challenges and Solutions in Dry Electrode Technology

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摘要

干法电极技术作为一种有发展潜力的工艺技术，因其低成本、环境友好等优点越来越受到人们的关注。然而，由于一些问题的存在，干法电极技术的广泛应用仍然面临着较大的挑战。基于此，全面探讨了干法电极技术的发展现状及其面临的挑战，并通过分析近年来的研究成果，分类汇总了不同的有效解决策略。首先介绍了干法电极技术的种类，包括聚合物原纤化、喷涂沉积、气相沉积、热熔挤出、粉末压制和3D打印；其次分析了干法电极技术面临的挑战，主要问题有材料分布不均匀、电极导电性低、黏结性较差、电极浸润性差、规模化困难；最后从材料（黏结剂、导电剂、集流体）和工艺（搅拌参数、搅拌顺序、新型工艺改进）方面概述了近年报道的解决策略，分析性能提升的作用机理。本文为干法电极的未来发展提供一定的研究基础。

Abstract

Dry electrode technology has attracted increasing attention for its low cost and environmental friendliness. However， the widespread application of dry electrode technology still faces considerable challenges due to some issues. Therefore， this article aims at comprehensively exploring the current developing status and challenges， and summarizing effective solutions from recent research progress. First we introduce the types of dry electrode technology， including polymer fibrillation， spray deposition， vapor deposition， hot melt extrusion， powder pressing， and 3D printing. Then the challenges of dry electrode technology are divided into several types， such as uneven material distribution， low electrode conductivity， poor adhesion， poor wettability with electrolyte， and difficulty in scaling up. The existing problems are disadvantageous to the electrochemical performance of dry electrode. Therefore， it is great importance to solve these problems to further improve the dry electrode. Next， we reviewed the latest strategies in recent years from the aspects of materials and processes. As the key materials， binders， conductive agents， current collectors are important for the resistance of dry electrode. Among them， binder is an elastic network connecting the active material particle and conductive agent. Its types and proportion should be properly chosen to achieve the expected performances. The processing parameters such as stirring parameters， stirring sequence have been continuously optimized to improve the electrochemical performance and simplified the process technology. Besides， novel processing technologies are also proposed and signified the paradigm innovation in dry electrode field. This article will provide a certain research foundation for the future development of dry electrodes.

Contents

1 Introduction

2 Classification of dry electrode technologies

3 Challenges faced by dry electrode technology

3.1 Uneven distribution of materials

3.2 Low electrode conductivity

3.3 Poor electrode adhesion

3.4 Poor electrode wettability

3.5 Difficulties in scaling up

4 Solution strategy for dry electrode technology

4.1 Key materials

4.2 Processing technology

5 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

干法电极 / 挑战 / 综述 / 解决策略 / 黏结剂

Key words

dry electrode / challenge / review / strategies / binder

引用本文

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梁鹏程, 杨重阳, 吴明霞. 干法电极技术面临的挑战和解决策略[J]. 化学进展, 2026, 38(6): 1112-1125 DOI:10.7536/PC20251122
Pengcheng Liang, Chongyang Yang, Mingxia Wu. Challenges and Solutions in Dry Electrode Technology[J]. Progress in Chemistry, 2026, 38(6): 1112-1125 DOI:10.7536/PC20251122

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1 引言

在“双碳”背景下，电化学器件逐渐发展为一项新兴的领域，广泛应用于交通、电网、储能等领域。其中电池和超级电容器基于自身的优势也得到了较大的关注。电池和超级电容器在一定程度上有所区别，电池具有较高的能量密度，超级电容器则具有较高的功率密度。但两者组成部分一致，电池和超级电容器均由电极、电解液和隔膜组成。当前，电池和超级电容器均成功商业化，并且市场应用较为广泛。在实验室到产业化的进程中，成功实现产品商业化的关键技术是工艺技术，因此改进和优化工艺技术对产品商业化有着重要的意义。

电池和超级电容器的工艺制作流程较为相似[1-3]，如图1所示。工艺过程通常包括[4]：混合、涂布、干燥、辊压、分切制片、真空干燥、叠片/卷绕、焊接、封装、化成、老化。每个工艺流程对最终的产品性能都有较大的影响。其中，作为初始阶段的工艺流程，混合、涂布、干燥、辊压的效果极大程度地影响后续电芯的制备和性能。目前，现有的制浆工艺主要为湿法制浆，一般以N-甲基吡咯烷酮（NMP）或水作为溶剂。将活性物质、导电剂、黏结剂等干粉材料搅拌分散均匀，通过湿法涂布和干燥后得到的电极为湿法电极。湿法电极的制备需要在一定温度下蒸发溶剂，还需要配置溶剂回收系统。有研究表明，溶剂蒸发和回收系统的能耗占比达到制备过程总能源约47%，湿法混合、涂布和溶剂蒸发回收工序成本占总制造成本约20%[5]。同时NMP具有的生殖毒性对人体健康也有一定的影响，因此工业界正积极寻找NMP的替代品。与湿法电极不同，干法工艺将粉末材料分散均匀后在热压条件下压制成一定厚度的电极。从粉末混合到极片压制的过程均无需溶剂，能够降低1.9%的溶剂成本[6]，还能减少NMP对人体的伤害。干法电极制备包括物理混合、成膜（或涂层、沉积）、辊压3个流程，所需要的核心设备有高速混合设备、成膜相关设备（纤维化、干粉成膜）、高精度辊压设备（高温压延）。无需配备溶剂蒸发和回收装置，能够大幅度降低设备成本和场地面积。预计使用干法电极工艺后，材料成本降低1.9%，能耗降低38%，直接人工成本降低16.2%~21.6%，设备成本降低约14.2%~19.0%，工厂场地面积减少13.1%~16.5%[1]。因此干法电极具有低成本、环境友好等优点[1,7]，适用于生产具有高压实密度、低孔隙率、高离子/电子传输和高机械性能的厚电极[5,8-9]。干法工艺替代湿法工艺，能够有效提高能量密度，满足日益增长的高能量等实际应用需求。

干法电极的制备高度依赖于核心装备的性能水平，设备的运行稳定性及关键工艺参数对电极微观结构与宏观性能具有决定性影响。（1）在物理混合阶段，主流设备包括高速混合机与球磨机。针对干法工艺的固相混合特性，其混合系统通常需配备更高功率密度的驱动电机、具备优异耐磨性能的搅拌组件以及高精度转速控制系统，以确保在高固含量、高剪切负载条件下仍能实现稳定、均匀的分散效果。值得注意的是，高速混合机同时具备与湿法混料工艺的兼容性，展现出良好的工艺适应性。此外，干法混合的持续时间通常为分钟级，显著低于湿法工艺的小时级混合周期，因此尽管单位功率需求较高，其综合能耗占比仍保持较低水平。（2）在成膜（或涂层、沉积）环节，常用设备涵盖气流粉碎机、螺杆挤出机、双螺杆纤维化机及开炼机。其中，气流粉碎机具有最高的生产效率；螺杆挤出机则表现出优异的产品良率；开炼机通过调节辊筒间的速比产生强剪切力，从而实现黏结剂的原纤化与成膜。双螺杆纤维化机具备天然的连续化生产优势，并可在冷却条件下实现纤维化过程控制，展现出良好的工艺放大潜力。（3）辊压工序的核心设备包括热辊压机与精密辊压机，该环节对电极的压实密度、孔隙结构及其分布均匀性具有决定性作用。干法工艺对辊压装备提出了更高要求，需实现更高线载荷下的强力压实、更严格的厚度公差控制以及更高的材料处理通量，同时需兼顾卷对卷连续运行过程中膜层厚度与结构的一致性。因此，干法工艺对辊压机的压力输出能力、控制精度及辊隙均匀性的要求，显著高于传统湿法涂布工艺。

早在20世纪末，Whittingham[10]和Goodenough课题组[11]分别提出了基于聚四氟乙烯（PTFE）黏结剂制备的LiTiS2干法电极和LiFePO4干法电极。21世纪初，Maxwell成功将干法电极技术大规模应用于超级电容器的生产，并在2016年用于制造锂离子电池电极。Maxwell的电极生产证明了干法电极的工业可制造性。之后Tesla在Maxwell在原有的专利基础上公布了基于PTFE黏结剂干法负极的4680圆柱锂电池[12]。不仅提高了能量密度，而且降低了成本和对环境的影响。干法电极技术近年来在电池和电容器领域获得了较多关注[3,13-19]。在学术研究方面，阮晶晶等[13]采用黏结剂纤维化法制备了锂离子电池石墨干法电极。扫描电子显微镜（SEM）图片展示电极形成了具有层次结构的分支状纤维，在电极内部构建出一个连续的网状架构。Pameté等[16]比较了干法电极和湿法电极的超级电容器在有机、离子液体、准固态电解质中的性能。基于干法电极的超级电容器表现出显著的性能提升，在有机、离子液体和准固体电解质中的寿命分别延长了45%、192%和84%。

除了学术方面的研究成果，干法电极的工程化和产业化进程也在积极推进中。各大企业在工艺和设备方面不断增大投入和研发，取得了较大的突破进展。例如特斯拉2020年公开新结构尺寸的4680圆柱电池，该正极片采用干法电极技术制备而成。与常规的18650电池相比，4680电池的能量密度从240 Wh/kg提升至300 Wh/kg，成本从185 $/kWh降低至75 $/kWh，单价成本降低了59.46%[20]。特斯拉成功打通了干法电极的生产线，是唯一一家能够兼顾性能和量产的企业。深圳清研电子专注于攻关干法工艺，突破技术壁垒，成功制备出商业化干法电极片，并开发了系列干法电极的制造设备和量产线。其中开发的干法电极成型复合一体机实现幅宽达800 mm、最高速度50 m/min的关键参数。无锡先导智能装备公司在2025年推出干法连续涂布冷压生产线，实现正极速度达60 m/min、负极速度达80 m/min，支持40~300 μm的电极厚度，市占率超70%。这些突破为实现大规模制备和建立完整产业链奠定了坚实的基础，推动国内干法电极技术迈入国际先进行列，有利于加速国内电池产业集群的发展。

干法电极技术虽然得到了广泛关注，取得了重要进展，但仍面临一些不可忽视的挑战和技术瓶颈。例如，干法电极的成型工艺容易导致电极材料的均匀性不足，从而影响电池的整体性能和循环稳定性[21-22]。同时，由于干法电极使用的黏结剂表面能低，与集流体的作用力较弱。这会导致电极的机械强度和结构稳定性不足，容易在充放电过程中出现形变或脱落现象[23]。此外，干法电极的导电性在某些情况下仍难以与湿法电极相媲美[24]，这限制了其在高功率密度电池中的应用。最后，干法电极材料的选择和优化也需要更多的研究，以实现更高的能量转化效率、更长的使用寿命和产品商业化[21,25-26]。实验室工艺放大至产线工艺的过程中也会面临较大的问题。粉体配方、压片成型、压实密度、涂层均匀性、极片收卷等工序在实验室能达到最优，而在产线大规模制造中每个步骤都可能出现问题从而导致产品良率下降。例如特斯拉的干法正极损耗率高达70%~80%，设备维修周期长达45天，产品良率最初仅为20%，由此导致成本总和较高。这些因素对于工艺链来说都是亟需解决的问题。干法电极技术目前处于从实验室向产业化突破的关键阶段，其核心优势在于工艺简化、成本与环境友好。但也面临一些技术瓶颈，如电极性能（材料分布均匀性、导电性、黏结性）尚不如湿法电极、材料体系有待优化，以及产业化放大时良率低、损耗高、成本控制难等。因此，为了实现干法电极的产业化和商业化，需在材料与量产工艺上取得系统性突破，这是推动干法电极广泛应用的关键。

基于此，有必要对干法电极技术进行深入探讨和研究，全面了解干法电极技术的应用发展需求。本文旨在全面探讨干法电极技术的发展现状及其面临的挑战，并通过分析近年来的研究成果，提出有效的解决策略。首先，简要介绍干法电极技术的多种类型。其次，深入剖析该技术在实际应用中所遭遇的挑战，以便更有效地识别和理解其瓶颈所在。最后，结合最新的研究动态，概述一系列创新的解决方案，旨在为干法电极技术的未来发展提供理论支持和实践指导。通过本文的研究，有望激发更多的关注与探讨，推动干法电极技术在能源存储领域的广泛应用与持续进步。

2 干法电极技术分类

干法电极的制造过程有三个步骤：物理混合、成膜（或涂层、沉积）、辊压，在最后的辊压过程中可调节所需电极的厚度和致密的电极结构。如图2所示，根据电极技术的工艺特点，干法电极的工艺方法可以分为6种[7]：聚合物原纤化[27]、喷涂沉积[28]、气相沉积[29]、热熔挤出[22]、粉末压制[30]和3D打印[31]。

聚合物原纤化（Polymer fibrillation）是指利用可原纤维化的黏结剂在高剪切力的作用下原纤维化，将活性材料颗粒和导电剂连接在一起，在热压条件下重复辊压并层压在集流体上得到干法电极。2019年，特斯拉在收购Maxwell后率先将这项技术应用于干加工锂电池电极的研究和商业生产。目前纤维化的方法主要包括研钵研磨和高速气流冲击[32]。该工艺能够应用于正极和负极材料中，并且与目前的商用锂离子电池生产设施兼容。因此纤维化的干法电极在未来的发展中有巨大潜力替换现有的湿法电极技术。然而，目前研究发现可纤维化的聚合物黏结剂主要为PTFE。而PTFE的最低未占分子轨道（LUMO）较低，使其易于接受电子，在负极中使用时发生还原反应，导致电极稳定性存在问题[33]。因此未来的研究需要关注可纤维化黏结剂的探索和研究。

喷涂沉积（Spraying deposition）是指将混合均匀的粉末材料通过喷涂沉积技术附着在集流体表面上，再通过热压形成一定厚度的电极片。常用的喷涂沉积方法包括空气喷涂、静电喷涂[32]，适合可调控活性物质面密度的电极。然而，喷涂沉积工艺的研究目前仍处于实验室阶段，复杂的高压设备、运营成本和缓慢的沉积速率限制了产业化的应用[34]。

气相沉积（Vapor deposition）是指通过不同方式将原材料蒸发汽化并沉积在集流体上。气相沉积包含磁控溅射、热蒸发、脉冲激光沉积、原子层沉积等[35]。按照结构是否变化进行区分，气相沉积可以分为物理气相沉积和化学气相沉积。气相沉积通常用于制作薄膜电极，例如微电子器件和高度集成电路。而不适用于超厚电极，例如电动汽车和3C消费电子产品。此外，气相沉积法所需的设备配置要求较高，如设备复杂、真空操作环境、产量规模小，不利于产业化规模化。

热熔挤出（Melt extrusion）是指混合均匀的粉末材料在双螺杆内进行剪切复合和分散，黏结剂随着温度的升高逐渐熔化从模具开口挤出，通过冷压或热压至集流体即可获得电极。热熔挤出的工艺需要黏结剂具有合适的热稳定性和机械加工特性，以便在熔融挤出过程中保持稳定。目前报道的黏结剂包含聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚丙烯（PP）和聚碳酸亚丙酯（PPC）[34]。然而，热熔挤出过程受到挤出温度、剪切力和挤出持续时间的影响[36]，需要对各种关键因素进行研究以实现电极性能的最优化。此外，聚合物消耗过多、制造复杂和烧结温度的升高等因素阻碍了其在工业中的广泛应用。

粉末压缩（Powder compression）是指混合均匀的粉末材料在热压或液压设备下直接在模具中加压压制，以实现材料的致密化。与其他干电极技术相比，粉末压缩法可以少量或不使用黏结剂，是一个简单的过程，因此也被称为直接压制法。粉末压缩能够有效提高活性材料的比例，还能减少黏结剂的成本，具有工艺简单、可扩展、无溶剂、无黏结剂等优点。然而，粉末压制法所需的刚性模具压制存在应力和密度不均匀的缺点，可能会导致干法电极各处的压实密度和致密度不一致。因此未来研究需要进一步优化粉末压缩工艺技术。

3D打印（3D printing）是一种快速原型技术，可分为光固化（Stereolithography，SLA）、熔融沉积成型（Fused deposition modeling，FDM）、选择性激光烧结（Selective laser sintering，SLS）、直接油墨书写（Direct ink writing，DIW）、喷墨打印（Inkjet printing，IJP）和其他打印技术[37]。目前应用在干法电极中的3D打印技术为FDM，是指黏结剂在熔融温度下与活性材料、导电剂粉末材料挤出并沉积到集流体上。3D打印技术可以根据特定的应用场景精确定制个性化的电极形状、形态和厚度等。然而，由于成本和效率3D打印技术不适用于大规模电极生产，只适用于微电子和可穿戴设备等特定领域。

3 干法电极技术面临的挑战

干法电极所需的粉末材料包括活性材料、导电剂和黏结剂。本节主要分析了目前干法电极存在的问题和面临的挑战（图3），主要包含材料分布不均匀、电极导电性低、电极黏结性低、电极浸润性差和规模化困难。

3.1 材料分布不均匀

理想状态下，电极中的活性材料、导电剂、黏结剂应该均匀分散，各种粉末材料颗粒之间均能够互相接触。活性材料直接决定电池的容量，导电剂是影响功率性能的关键，黏结剂保障电极结构的完整性。一方面，不添加溶剂意味着没有分散流动的介质，使得粉末材料的分散性、流动性相对较差。另一方面，粉末材料之间还容易发生颗粒团聚导致混合不均匀[33]。这主要是由于不同材料颗粒之间的极性和表面能差异，导致化学亲和力差[20]。受到以上因素的影响，粉末材料在混合过程中无法在搅拌的介质惯性作用下充分分散，并且趋向于同种材料聚集在一起。当混合后的粉末材料在集流体上压制成膜时，会出现同种材料局部过量或局部含量不足的情况，导致各材料不能充分发挥其作用。以活性材料为例，当局部过量时，内部活性材料因电子传导路径受阻处于电化学隔绝状态，无法有效参与锂离子的嵌入/脱出反应；反之，若局部含量不足，该区域的活性材料将承受更高的局域电流密度，导致颗粒受到异常强烈的电化学极化[20]。上述现象在长期循环过程中会持续加剧，加速恶化局部活性材料的结构稳定性。材料分布不均匀最终使得电极的性能受到影响[38]，例如：电子和离子传输通道受阻导致内阻增大；黏结剂分散不均导致附着力低引起粉末掉落；活性材料的不均匀分布导致容量和循环稳定的波动。未来需要探究粉末材料混合的特性和机理，分析气固相的动力学，并开发更高转速的设备以满足分散要求。

3.2 电极导电性低

干法混合与湿法混合均需要加入导电剂。导电剂通常为碳材料，用于构建多路径的发散导电网络。然而由于碳原子的sp2轨道使得碳原子之间存在强烈的π-π作用力，在干法混料状态下该作用力促使导电剂形成团聚体[39]。由此造成导电剂的不均匀分布，影响电极中导电网络的构建。这将直接导致部分电子的传输路径受阻，电子只能选择邻近电阻较小的传输路径。这会造成局部电流过大[40]，该区域的活性材料出现剧烈的嵌入/脱出行为。长时间充放电作用下导致活性材料颗粒内部有较大的应力，引起活性材料的裂纹和粉化。而裂纹和粉化则加剧了与电解液的副反应，在活性材料表面不断形成LiF。减少了电解液中活性Li+，会加速恶化器件的循环寿命[41]。与此同时，无电子通过的部分活性材料未能充分参与充放电，形成电化学死区，直接影响了容量和能量的释放。黏结剂的作用是将活性材料和导电剂黏附牢固，避免电极出现材料脱落。作为干法工艺常用的黏结剂，PVDF具有2个C—H和C—F键，而PTFE具有4个C—F结构。与C—H结构相比，C—F结构具有相对较高的密度和较大的共价键能，增加了其电负性，导致电子迁移率降低[42]，降低电极的导电性。此外，湿法涂布的溶剂与集流体的接触角更大，使得浆料与集流体之间能够紧密接触。而干法电极通常将自支撑的电极膜层压在集流体上，膜与集流体之间的接触存在一定的界面空隙，无法通过溶剂的作用形成紧密的接触。这将造成电子传输受阻，导致内阻增大[43]。器件产生较大的欧姆热，最终降低电化学转换效率和影响寿命性能。

3.3 电极黏结性较差

目前应用于干法电极的黏结剂主要为PTFE和PVDF[44]。两种黏结剂的分子量、熔点等特性不同，决定了需要选择不同的干法电极工艺。使用聚合物原纤化方法制备干法电极的黏结剂仍然是PTFE。而PVDF具有热塑性，常用于喷涂沉积、3D打印和熔融挤出工艺[32]。PTFE和PVDF（α相）黏结剂均为非极性结构，具有高度对称的分子结构和特定排列的C—F化学键，整个分子的正负电荷中心重合，偶极矩为零。非极性结构电荷分布均匀，通常不易参与化学反应，因此主要以分子间的弱静电相互作用力（范德华力，van der Waals force）结合。基于PTFE和PVDF黏结剂制备的干法电极，电极材料与集流体主要通过弱范德华力结合[20]，导致电极膜与集流体的黏结性较差。而材料之间连接不紧密，容易引起电极分层[20,23]，损坏电子传输通道。由此可能导致部分电子传输受阻，一定程度上增大了界面之间的内阻。此外，电极分层还可能会导致活性物质在电化学充放电过程中脱落[19]。活性材料作为提供容量的唯一物质，脱落和损失都会降低容量或能量。因此由黏结剂引起的电极弱黏结性最终会导致容量衰减、内阻增大等问题。

3.4 电极浸润性差

电解液作为活性离子传输的重要介质，对电化学性能至关重要。干法电极趋向于厚载量和大面积电极设计[43]，增加电极的厚度和面积会加长浸润所需的时间。因此，在相同的生产周期下，干法电极的电解液浸润性差的问题更为突出。此外，PTFE和PVDF作为干法电极常用的黏结剂，均属于非极性分子。非极性分子的表面能较低[20]，具有较大的接触角，难以溶于各种溶剂。由此制备的干法电极对电解液也有较大的接触角，降低了电解液对电极的浸润效果。并且这两种黏结剂都含有强电负性的F元素，导致黏结剂的疏水性和疏油性较强，降低电极和电解液之间的亲和力[38,45]。黏结剂种类对电极的浸润性也有较大的影响。从离子传输的角度来看，PTFE黏结剂与极性溶剂的接触角很大，高于PVDF和其他极性黏结剂的接触角。干法电极与电解液的浸润性较差会导致活性离子传输受阻[20]，增大内阻，降低电极的性能。此外，有研究发现随着PTFE比例的提升，电极表面与电解液的接触角越大[46]，进一步证明了PTFE基电极和电解液的亲和力较差。倍率性能与电极内离子的移动速率密切相关，更好的润湿效果有利于提升离子传输速率[47-48]。因此需要综合考虑各方面因素，平衡电极的黏结性和浸润性，才能获得性能优异的干法电极片。

3.5 规模化困难

干法电极的混合过程中粉末材料颗粒摩擦产热，并且粉末材料的分散需要更大的作用力搅拌均匀。这些问题的存在对干法混料的设备有一定的技术要求。此外，由于材料的密度和粒径尺寸各不相同，难以获得均匀的粉末混合物[7,42]。在规模化的生产过程中干法电极膜的连续制备是一项不可忽略的挑战[49]。此外，为了实现大规模生产还需要进一步探索适合干混的混合设备，深入研究设备类型（如高速剪切混合机、双锥混合机等）对特定粉末原料的相容性，实现微观尺度的均匀分散。

4 干法电极技术的解决策略

针对材料分布不均匀、电极导电性低、黏结性较差、电极浸润性差、规模化困难等问题，图4简要总结了干法电极对应的解决策略。本节将从材料和工艺方面概述近年来干法电极技术相关的研究进展。

4.1 关键材料

4.1.1 黏结剂

黏结剂的物理化学性质和热性能对于电极制造至关重要，同时也决定了设备的要求和工艺参数。目前应用于干法电极的黏结剂有PTFE、PVDF、聚环氧乙烷（Polyethylene oxide，PEO）、聚丙烯（Polypropylene，PP）、石蜡和硬脂酸等材料[50]。研究者们在黏结剂方面致力于改进现有黏结剂特性和探索新型黏结剂以提高电极的各项性能[23,33,51-55]。

目前使用的黏结剂各有优点，因此有研究人员将不同黏结剂进行组合，通过物理化学作用结合各种优点增强电极的黏结性。针对黏结性差的问题，Sung等[23]引入聚丙烯酸（PAA）与PTFE作为复合黏结剂。通过PAA中的—COOH基团与铝箔集流体上Al2O3的—OH之间的氢键作用，提高了干法电极和铝箔集流体之间的附着力，降低了接触内阻。单独使用PTFE黏结剂的黏附强度接近于零，而PAA/PTFE复合黏结剂的黏附强度显著提高至40.0 gf·20 mm-1，并且使用PAA/PTFE复合黏结剂具有优异的倍率性能和循环稳定性。Kang等[33]将PAA和羧甲基纤维素钠（CMC）通过接枝聚合和交联反应制备了PAA-CMC聚合物（PC），并与PTFE组合为PC-PTFE双黏结剂。如图5a，b所示，PC作为“微型系船柱”与PTFE形成更紧密的连接作用力，进而提升电极的黏结性。通过180°剥离试验发现PC-PTFE与铝箔集流体的黏附力（0.9615 N/cm）比PTFE（0.5733 N/cm）更强。现有黏结剂大多为含氟聚合物，其黏附性、导电性和可回收性方面有所不足。基于此，Leibetseder等[56]开发了不含氟的水溶性表面活性剂聚合物，基于11-氨基十一酸的聚合物可通过各种共聚单体对聚合物进行改性，从而显著增强附着力。并且在高达350 ℃温度下仍然具有良好的热稳定性，还能在回收流程中具有环境友好性。

在干法电极技术领域开发新型黏结剂也是研究的主要热点。对于电极材料分布不均的问题，Kim等[51]使用苯氧基树脂（Phenoxy resin）作为黏结剂制备干法NCM811正极。PVDF黏结剂玻璃化温度（Tg）为187.58 ℃，而苯氧基树脂的Tg仅为79.68 ℃（图5c）。说明在一定温度下苯氧基树脂比PVDF具有更好的延展性，更容易在热压过程中产生连接活性材料的均匀网络结构，内阻更低（图5d），提高电化学稳定性。此外，黏结剂的粒径大小对材料混合的均匀程度也有所影响。Schälicke等[52]基于不同粒径的黏结剂制备了电极材料，发现大颗粒的黏结剂会导致电极活性材料层不稳定，而使用具有较小颗粒的偏二氟乙烯（THV）和氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）黏结剂能够获得稳定的电极，小颗粒的黏结剂在整个电极上分布相对更均匀。

为了解决导电性差的问题，Yuan等[57]使用了具有导电性的聚合物聚苯胺（PANI）作为黏结剂研究石墨电极的性能。PANI处于中间氧化态，在掺杂后表现出最佳的导电性。利用热压法将聚苯胺和活性材料黏附到集流体上，通过加热的卷对卷方式获得干法电极。结果表明，PANI可以同时发挥黏结剂和导电剂的双重作用，具有稳定的循环性能，还能减少非活性电极成分的含量。PANI的研究结果为干法电极的制备和降低成本提供了新思路。此外，Jang等[53]通过两种硅烷前体的简单溶胶-凝胶反应制备了无氟富羟基的纳米杂化硅氧烷（Siloxane nanohybrid，SNH）黏结剂应用于正极材料中。与PVDF相比，基于SNH的全电池循环200次保持率从61.24%提升至约87.82%。得益于硅烷醇（Si—OH）基团，SNH黏结剂显著提高了对活性材料和导电剂的亲和力，形成均匀电子/离子传导途径。

4.1.2 导电剂

导电剂主要为电子提供导电网络，降低内阻，实现高倍率性能。干法电极中由于导电剂的团聚和分布不均匀使得导电性降低。针对该问题，现有研究从不同方面着手提升干法电极的材料均匀分散性和导电性，例如导电剂表面的处理 [58]、研究不同类型导电剂[59-60]、加入表面活性剂提高导电剂的分散均匀性[61]。同时，复合黏结剂和导电剂还可以作为双功能材料，实现多路径导电网络的构建[62]，最终提升电极的导电性。

Kim等[58]通过臭氧（O3）处理单壁碳纳米管（SWCNT）导电剂材料，制备了经过表面处理的O-SWCNT导电剂，引入了羟基、羰基和羧酸等含氧基团（图6a）。通过比较SP、SWCNT、O-SWCNT导电剂的干法电极的电荷转移电阻（Rct），发现基于SP和SWCNT导电剂的Rct分别为202和67 Ω，而基于O-SWCNT的Rct降低至43 Ω（图6b）。通过O3处理的导电剂在复合材料中表现出更致密的微观结构，还能保护正极表面形成的CEI膜，避免副反应的发生。不仅有助于减轻NCM811颗粒的微裂纹，还能提高活性材料的稳定性。对导电剂进行孔结构的改进也能有效提高导电剂的电子传导。Oh等[60]引入高孔隙率和高比表面积的多孔球形炭黑作为导电剂制备了干法电极。与石墨烯、碳纳米管材料相比，多孔球形炭黑可以提高电性能和锂离子传输特性，表现出优异的倍率性能和循环寿命。并且发现将多孔球形导电剂的含量优化在2~3 wt%的范围内能够获得了更高能量密度的正极。还有研究者在制备环氧树脂基（EP）黏结剂的同时加入多壁碳纳米管（MWNT）形成复合导电黏结剂[62]。图6c展示了导电黏结剂的制备过程示意图，在导电剂和黏结剂的作用下形成3D网络，显著提高电极的导电性。EP中丰富的醚氧基和氮元素促进了Li+离子的传输，提高可逆离子的迁移速率。如图6d所示，基于复合导电黏结剂的电极与PVDF相比表现出较低的电荷转移电阻（3.6 Ω vs. 32 Ω）。说明双重功能的复合导电黏结剂材料相较单一功能的材料具有更优异的电性能。

4.1.3 集流体

集流体作为支撑电极材料的基体，采用合适的集流体能够有效降低内阻，提高电化学性能。

研究者们评测了不同集流体对干法电极电化学性能的影响，例如腐蚀铝箔、铝网。Wang等[63]研究了三种不同集流体（铝箔、腐蚀铝箔、涂炭铝箔），揭示了集流体对电子电导率和界面黏附强度的显著影响。其中碳涂层集流体表现出较优异的电化学性能。Sul等[27]比较了无溶剂干法电极与湿法浆料电极的性能，还引入了新型铝网作为集流体制备了高负载硫负极。Ryu等[30]报告了蚀刻铝箔作为集流体的干法电极。该干法正极表现出很强的黏附性和内聚性，并且锚定在蚀刻铝箔的亚微米孔上，使活性材料在其网状网络内无缝压实。

然而目前大多研究仍然采用铝箔作为正极集流体、铜箔作为负极集流体。相对黏结剂和导电剂来说，研究者们对集流体的关注较少。

4.2 工艺技术

4.2.1 工艺参数优化

工艺流程的实验参数也对电极的最终效果有着不可忽视的影响，例如搅拌速度、搅拌时间、加料顺序、压制温度等[64-69]。

Yonaga等[66]基于3种不同的转速（1000、3000、10000 r/min）制备了干法电极材料，综合评估了电极粉末混合物的形态对电极结构和电池性能的影响。发现控制导电剂和黏结剂的分布可以提高电池的倍率性能。低转速的干混分散性较差，形成低曲折度的长程导电通路；高转速干混会导致过度分散，导致长程和短程导电通路的高度曲折。相比之下，中等转速的干混能够有效形成短程和远程导电路径，提高了电极容量和稳定性。Tao等[67]研究了干混时间（10、30和60 min）对粉末混合物和干法电极性能的直接影响，结果表明混合30 min的电极表现出较优的性能。混合时间不足会导致PTFE纤维化程度低，混合时间过长会导致PTFE纤维断裂并形成PTFE炭黑膜。适当的混合时间可以提高PTFE的纤维化、力学性能和电化学性能。一般情况下，干法电极的活性材料和导电剂颗粒之间为点对点的接触方式。为了确保材料之间的界面接触和均匀性，研究人员采用分步混合活性材料、导电剂和黏结剂等材料来达到目的。Choi等[68]通过离子表面活性剂的静电作用预先混合制备了PTFE和炭黑（CB）的复合材料，再与活性材料NCMA混合制备干法电极（图7a）。通过CP-SEM/EDS分析表明，基于PTFE/CB复合材料的正极微观结构比湿法混料的电极分布更均匀。PTFE/CB预先复合还能增强电极中锂离子的传输动力学。图7b展示了96：2：2 PVDF（CB含量2%）黏合剂电极、98：0：2（CB含量0%）和98：1：1 PTFE/CB（CB含量1%）复合黏合剂电极的离子电阻Rion。干法电极98：1：1 PTFE/CB复合电极的Rion明显低于湿法电极96：2：2 PVDF黏合剂电极。在表面活性剂的静电作用下通过黏结剂和导电剂的预先复合能够获得均匀分布的粉末材料，由此获得的电极具有优异的循环性能（图7c）。

与实验室制备相比，大规模产业化制备更关注制程中的工艺参数。各参数之间存在强烈的耦合关系，对产品良率、生产效率有着不可忽视的影响。例如PTFE黏结剂在纤维化的过程中，需要控制合适的搅拌速率和时间，使其形成均匀的蛛网状结构网络；若纤维化程度不足容易导致黏结力弱，过度纤维化又会导致电极过硬易脆，影响电极一致性和产品良率。又如提高辊压速度能减少辊压所需时间，缩短产品生产周期；然而辊压速度过快易出现裂纹或压实未达标等问题，影响电极的机械性能和产品良率。此外，提高压制温度更易熔融化黏结剂，有利于黏结剂融化分散在粉末材料之间，提高黏结作用力；然而提高温度意味着升温时间加长、能耗增高，不仅降低生产效率还提高了生产成本。因此，在规模化生产制造中，需要综合考虑各个工艺制程的参数，以实现干法电极性能和生产效率的最优化。

4.2.2 新型工艺技术开发

除了优化工艺参数，有研究者还提出了新型的工艺技术以提升干法电极的性能表现。这些新型工艺技术包含基于电晕静电喷雾的卷对卷干印刷方法[47]、冷等离子体工艺粉末涂层制造技术[70]、纳米粒子沉积系统技术[71]、脉冲混合策略[72]。

Liang等[70]报道了一种使用冷等离子体工艺粉末涂层（Cold-plasma-coating，CPC）的电极制造技术，其原理和步骤如图8a所示。利用冷等离子体创建粒子间结合的导电和黏结网络，例如本研究中使用的铝（Al）粒子。通过原位形成的高导电电极的3D金属网络，代替了导电剂和聚合物黏合剂，提高电极的电子导电性。冷等离子体取代了导电剂、聚合物黏合剂，有效提高器件的功率性能，对于高功率汽车和储能应用领域至关重要。与此同时，CPC技术还能将电极加工成本降低约40%，资本投资、设施和维护相关的成本降低70%，是一项新型、高度可规模化的低成本制造技术。Kim等[71]首次提出一种纳米粒子沉积系统（Nanoparticle deposition system，NPDS），用于制备无黏合剂的干法电极（图8b）。通过超音速加速的粉末与基材碰撞，利用喷嘴和沉积室之间的简单压差形成薄膜，将颗粒直接沉积在基材上。基于NPDS技术成功制备了LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2的无黏结剂干法正极，相对于湿浆涂覆的电极具有更优异的黏结性和循环寿命。证明NPDS在制备无黏合剂干法正极方面有较大的发展潜力，为开发先进的无黏合剂干法负极奠定了基础。Li等[72]为了促进干法电极中粉末材料的均匀混合，从剪切力调节方面入手提出了一种脉冲混合（Pulsed mixing）策略。基于脉冲混合方式构建具有优异稳定性、高机械强度和优异三维电荷转移动力学的超厚干法LiMn2O4电极。脉冲混合的方式提高了电极的机械强度、均匀的孔结构，建立了三维多向电荷转移路径，加速超厚干法电极中的电荷转移动力学。

表1汇总了近些年报道的干法电极性能及其关键技术指标，提供了直观清晰的技术参数比较。目前大多研究采用了纤维化法制备干法电极，其次为粉末压制和喷涂沉积。原纤维化更适合放大规模化制备，适用于产线生产中。在锂离子电池中干法电极可应用于正极或负极，均能有效提升电极的性能。

基于以上讨论，本文总结了干法电极目前面临的挑战和相应的解决策略。如图9所示，近年的研究方向重点关注干法电极的材料分布均匀性、电极导电性和黏结性，并显著提升了干法电极的性能，为干法电极的发展提供了一定的研究基础。然而在电极浸润性和规模化方面的研究相对较少。浸润性对电极的功率性能有较大的影响，而干法电极的规模化对于实现产品商业化产品至关重要。为了促进干法电极的进一步发展，未来需要更多关注电极浸润性和规模化发展的相关研究。

5 结论与展望

干法电极技术作为一种有发展潜力的工艺技术受到广泛的关注，适用于生产具有高压实密度、低孔隙率、高离子/电子传输和高机械性能的厚电极。本文首先介绍了干法电极技术的6种分类，分别为聚合物原纤化、喷涂沉积、气相沉积、热熔挤出、粉末压制和3D打印。黏结剂的种类和工艺技术有着较密切的关系，需要基于黏结剂的种类和特性选择合适的工艺方法。然而，干法电极技术在实际应用中仍面临诸多挑战，包括材料分布不均、电极导电性低、电极黏结性低、电极浸润性差和规模化困难等问题。这些因素显著影响了电极的内阻和稳定性，从而导致电化学性能的下降。针对这些挑战，近年来的研究提出了多种解决策略，涵盖材料和工艺两个方面，旨在提升电极的性能。尤其是在材料的均匀分散、导电性和黏结性等方面取得了一定进展。然而，关于电解液浸润效果和大规模生产的研究仍显不足。未来的研究需从多维度出发，系统性探索有效的解决方案，以推动干法电极技术的进一步进展。特别是在固态电池、超高负载电极、钠离子电池等体系的应用。基于当前研究进展，提出以下重点研究方向：

（1）在材料体系优化方面，需要重点突破功能性黏结剂的开发。黏结剂的热特性、界面相容性和机械强度等参数直接影响电极的结构稳定性和电化学性能。PTFE黏结剂在负极中存在不稳定问题，需要对PTFE改性提高LUMO值，或采用化学稳定性强的材料作为负极黏结剂。基于高分子量聚合物黏结剂的干法电极具有较强的黏结作用力，但是电解液的浸润效果较差。可以将黏结剂和表面活性剂复合得到功能性黏结剂，达到提高接触角、促进电解液浸润的目的。因此，开发具有多重功能特性的新型黏结剂材料，平衡各项性能参数，优化电极片的性能，是实现干法电极工艺稳定性的关键所在。

（2）在制备工艺优化层面，应当建立材料特性与工艺参数的映射关系。首先明确单一材料特性在不同工艺下的性能，其次基于正交实验设计和测试结果，综合分析测试数据。最后基于所有结果建立材料特性和工艺参数对电极性能的影响模型，筛选出综合性能最优的工艺参数。通过系统研究不同材料体系（如活性物质、导电剂等）的物理化学特性，结合干法成膜、辊压等关键工艺，构建工艺参数优化模型，从而实现电极性能的精准调控。

（3）在设备开发方面，亟需解决粉体均匀分散和连续化生产的技术难题。开发高效率低能耗的干粉混合设备，提高设备的运行参数（搅拌转速、分散转速），打破颗粒之间的团聚作用力。为了实现连续化生产，可设计混料、压延等工序实现自动供料，优化粉体输送系统的稳定性。集成在线质量监测系统，采用卷对卷传输与收放卷技术，减少中断，促进连续化生产设备的流畅性。这些设备方面的技术创新将直接决定干法电极的产业化进程。

（4）建议采用多学科协同创新的研究范式，整合材料科学、机械工程、自动化控制等领域的专业知识，建立从材料开发到装备设计的全链条研发体系。各学科之间深度交流，打破学科壁垒，构建协同创新的科学联动。同时要以产品需求为导向、以制造工艺为轴心，进行专业的深度融合。例如多领域专家对同一个工艺制程提出不同方面的要求，深入分析现有方案存在的问题，共同讨论并提出最优的解决方案。

（5）加快制定行业标准，构建系统化的标准体系，加快标准化制度的建立。行业应加快制定统一的技术标准，明确干法电极在原料配比、制备工艺及性能测试等方面的具体要求，确保技术路径的规范性与一致性。同时，需建立健全标准化生产制度，从工艺流程、设备参数到质量控制全链条进行规范，为规模化生产奠定基础，共同促进干法电极技术的商业化应用。

未来，随着上述关键技术的突破，干法电极技术有望在下一代电化学器件中发挥重要作用，为新能源的产业发展提供新的技术支撑。

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