Procédé d'électrode sèche : la clé de la production en masse de batteries à l'état solide haute performance

Dans les batteries tout-solide, l'électrolyte liquide est remplacé par une membrane électrolyte solide. Par conséquent, la fabrication de l'électrolyte solide nécessite la préparation de ce film en plus des électrodes positives et négatives traditionnelles. Ce procédé est une étape cruciale de la production de batteries, car il détermine directement les performances et la qualité de la cellule finale. Si le procédé par voie humide domine actuellement les lignes de production de batteries tout-solide, le procédé par voie sèche s'impose de plus en plus comme la technologie de choix pour la fabrication de l'électrolyte solide de nouvelle génération, grâce à ses avantages combinés en termes de coût, d'efficacité et de compatibilité des matériaux.

01. Principales améliorations apportées à la production de préformage des batteries à semi-conducteurs

Le procédé de fabrication des batteries à électrolyte solide diffère fondamentalement de celui des batteries liquides traditionnelles. La préparation de la couche d'électrolyte solide constitue l'étape cruciale et transitoire de la fabrication. Cette étape détermine directement la densité énergétique, les performances en charge/décharge rapide et la durée de vie de la cellule. Dans les batteries tout-solide, la membrane d'électrolyte solide remplace l'électrolyte liquide. Par conséquent, la préparation de la couche d'électrolyte solide doit inclure non seulement les électrodes positives et négatives classiques, mais aussi la couche d'électrolyte solide. Ce changement fondamental engendre de nouveaux défis et offre simultanément des opportunités d'amélioration du procédé.

02. Transformation technologique : le passage du procédé humide au procédé sec

Les procédés actuels de préparation des composants d'électrode des batteries à l'état solide se répartissent principalement en deux catégories : les procédés par voie humide et par voie sèche. Le procédé par voie humide repose encore sur le système de solvants des batteries liquides traditionnelles ; les matériaux d'électrode ou d'électrolyte sont mélangés à un liant pour former une suspension, puis déposés en couche mince et enfin séchés pour obtenir un film.

Bien que ce procédé soit relativement mature, il présente des inconvénients inhérents : il nécessite l’utilisation de grandes quantités de solvants organiques toxiques (tels que le NMP), des étapes de séchage et de récupération du solvant à forte consommation d’énergie, et limite l’application de certains matériaux de pointe sensibles aux solvants.

À l'inverse, le procédé à sec révolutionne la fabrication d'électrodes en éliminant l'utilisation de solvants et l'étape de séchage ultérieure. Ce procédé repose davantage sur des équipements de mélange à sec à fort cisaillement et de fibrillation pour obtenir une dispersion uniforme du matériau et un préformage, suivis d'un pressage multi-rouleaux pour achever directement la formation du film.

Les principaux avantages de la technologie de formation de film sec sont évidents selon trois dimensions :

• Rentabilité : En omettant les étapes de revêtement, de séchage et de récupération du solvant, l'investissement en équipement est moindre, la consommation d'énergie est réduite et les coûts globaux de fabrication des cellules peuvent être réduits d'environ 18 %.

• Amélioration des performances : Le procédé à sec augmente efficacement la densité de compactage du matériau actif, ce qui entraîne une augmentation de la densité énergétique d'environ 20 %. La batterie semi-solide du groupe SAIC, intégrée à son modèle MG4, a atteint une densité énergétique système de 400 Wh/kg, permettant une charge rapide de 12 minutes pour une autonomie de 400 km.

• Compatibilité environnementale et matérielle : Le procédé à sec élimine le recours aux solvants toxiques, résolvant ainsi les problèmes de pollution environnementale liés au procédé humide traditionnel. Parallèlement, il permet l'utilisation de matériaux plus économiques (tels que les cathodes à base de manganèse).

03. Matrice technologique : Voies diversifiées pour la formation de films secs

La formation de films secs ne constitue pas un procédé unique, mais un ensemble de techniques regroupant diverses approches. Actuellement, les technologies de préparation d'électrodes sèches les plus représentatives comprennent principalement six types :

• Méthode de fibrillation : Ce procédé utilise une force de cisaillement élevée pour fibriller le liant, permettant ainsi d'encapsuler étroitement les matériaux actifs et les agents conducteurs et de former un film d'électrode autoportant. Il exige de l'équipement une capacité de contrôle de la force de cisaillement et de la température extrêmement élevée.

• Dépôt par pulvérisation sèche : Utilise une poudre chargée, qui est déposée uniformément sur le collecteur de courant sous un champ électrique, suivie d'un pressage à chaud pour faire fondre et fixer le liant, formant un film autoportant.

• Autres méthodes : Le dépôt en phase vapeur, l'extrusion à chaud, le pressage direct et l'impression 3D sont appliqués en fonction des caractéristiques des matériaux et des scénarios d'application.

Ces différentes voies varient en termes de principes techniques, de matériaux applicables, de capacité de formation de film et de complexité des équipements, et conviennent à différentes applications telles que les électrodes flexibles à grande échelle, les dispositifs de petite taille et les feuilles d'électrodes épaisses.

Comparaison des principales voies techniques de formation de films secs

L'industrie considère généralement que la méthode de fibrillation du liant présente une stabilité et une facilité de mise en œuvre supérieures, ce qui la positionne comme la voie principale émergente.

04. Défis de l'industrialisation : combler le fossé entre le laboratoire et la production de masse

Malgré les avantages indéniables de la formation de films secs, le passage du laboratoire à la production de masse se heurte à de nombreux obstacles. La capacité et l'efficacité sont des préoccupations majeures. La capacité et la vitesse de revêtement à sec restent inférieures à celles des procédés humides traditionnels, et l'uniformité et l'adhérence lors de la pulvérisation grand format nécessitent des améliorations significatives.

L'uniformité du revêtement et le contrôle de sa qualité constituent un autre défi majeur. Des revêtements d'électrodes sèches non uniformes peuvent créer des « points chauds » au sein de l'électrode, entraînant une dégradation accélérée des performances de la batterie et des risques potentiels pour la sécurité.

La compatibilité entre le liant et les matériaux nécessite également une optimisation plus poussée. Il est essentiel d'obtenir une distribution uniforme des fibrilles de PTFE au sein du mélange tout en évitant d'endommager les particules de matériau actif. De plus, le PTFE est instable à bas potentiel et réagit de manière irréversible avec le lithium, ce qui limite son application dans les électrodes négatives.

Les défis liés aux équipements sont tout aussi importants. Le procédé à sec impose des exigences accrues aux presses à rouleaux pour noyaux. Les performances et l'efficacité de production de la calandre, équipement central, sont déterminantes pour la viabilité du procédé à sec en production de masse.

TOB NOUVELLE ÉNERGIE travaille activement à relever ces défis, dans le but de contrôler la teneur en liant dans l'électrode négative à 0,7 % et dans l'électrode positive à moins de 1,5 % afin d'obtenir des performances de formation de film plus efficaces et à moindre coût.

05. Innovation en matière d'équipement : le facteur déterminant de la mise en œuvre des procédés à sec

L'industrialisation des batteries à l'état solide repose généralement sur les équipements. Dans le domaine de la formation de films secs, l'innovation en matière d'équipements est le principal moteur de la mise en œuvre technologique.

• Équipements de traitement en amont : Elle représente environ 32 % de la valeur totale de la ligne de production, y compris les équipements de base pour le mélange à haut rendement, la dispersion des matériaux, le revêtement et le traitement à cisaillement élevé.

• Équipements de traitement intermédiaires : Elle représente environ 45 % de la valeur de la ligne, centrée sur une machine d'empilage à haut rendement (25 % de la valeur de la ligne) et des presses isostatiques horizontales (13 % de la valeur de la ligne), couvrant l'ensemble du processus, du façonnage à la densification.

• Équipements de traitement en aval : Représente environ 23 % de la valeur de la ligne, incluant des testeurs complets de poudre sèche et des solutions de fixation horizontales haute température pour les armoires intégrées de batteries à semi-conducteurs, permettant la formation de haute tension, le classement de capacité et l'assemblage.

06. TOB NEW ENERGY : Fourniture de solutions complètes, du laboratoire à la production de masse

Aborder les opportunités et les défis d'industrialisation de la technologie de formation de films secs, TOB NOUVELLE ÉNERGIE S'appuie sur des années d'expérience technique dans la fabrication de batteries pour offrir à ses clients une solution complète allant du laboratoire à la production de masse.

Solutions pour les lignes à électrodes sèches à l'échelle du laboratoire

Nous proposons une gamme complète d'équipements et de services personnalisés pour les lignes expérimentales à électrodes sèches. Notre technologie développée Broyeur à jet de laboratoire Elle intègre miniaturisation, intelligence et haute précision, et convient à la préparation de poudres de qualité expérimentale nécessaires à la fibrillation des matériaux d'électrodes sèches pour batteries au lithium. Machine de formation de film d'électrode sèche de laboratoire est un équipement de recherche à électrodes sèches de laboratoire qui peut être utilisé pour le processus de formation de films à partir de poudre.

Solutions pour la production à l'échelle pilote

Nous proposons Machines de formation de films d'électrodes sèches qui répondent aux exigences de diverses lignes de production, y compris les équipements permettant une capacité de production en série de l'ordre du GWh. Grâce à un contrôle précis de la tension et à un ajustement de l'épaisseur, nous pouvons réaliser la fabrication de feuilles d'électrodes sèches d'une épaisseur minimale de 27 µm, voire inférieure.

Solutions pour la production industrielle de masse

Pour répondre aux besoins de production industrielle en série, nous proposons des solutions complètes de lignes de production d'électrodes sèches. Notre système couvre l'ensemble du processus, de l'alimentation contrôlée à l'inspection qualité, en passant par la formation du film, l'amincissement et la fabrication du collecteur de courant. La largeur des produits peut atteindre 1 000 mm, avec une épaisseur de 40 à 300 µm. Notre système est compatible avec 2 à 6 feuilles d'électrodes sèches fonctionnant en parallèle pour une production à haut rendement.

Notre équipe technique comprend parfaitement chaque aspect du processus de formation de film sec et peut fournir des solutions d'optimisation de processus personnalisées en fonction des systèmes de matériaux spécifiques du client (tels que les électrodes négatives en graphite/silicium-carbone, les électrodes positives ternaires/LFP et divers matériaux d'électrodes entièrement solides) et des besoins en équipement. En matière de matériaux, nous accompagnons nos clients avec des matériaux de pointe pour batteries, notamment des liants spécialisés et des agents conducteurs modifiés adaptés au procédé à sec, garantissant une compatibilité optimale entre les matériaux et le procédé.