I. Análise da Tecnologia de Preparação de Eletrodos Secos
1. Introdução aos processos secos vs. úmidos e comparação de materiais
O processo úmido tradicional envolve a mistura de material ativo, agente condutor e aglutinante em um solvente em proporções específicas e, em seguida, o revestimento da mistura na superfície do coletor de corrente por meio de um revestidor de matriz de fenda, seguido de calandragem.
O processo a seco envolve a mistura uniforme de partículas ativas e agentes condutores, a adição de um ligante, a formação de uma película autossustentável por meio da fibrilação do ligante e, finalmente, a calandragem na superfície do coletor de corrente.
2. Processo de fabricação de filme seco
2.1 Processo de preparação a seco de filme autossustentável
Os métodos de filme seco incluem fibrilação de ligante e pulverização eletrostática, sendo a fibrilação de ligante a técnica predominante. A pulverização eletrostática tem desempenho inferior à fibrilação de ligante em processabilidade subsequente, estabilidade de adesão, flexibilidade do eletrodo e durabilidade.
Fibrilação do ligante: mistura-se o pó do material ativo e o agente condutor, adiciona-se o ligante de PTFE e aplica-se uma força de cisalhamento externa elevada para fibrilar o PTFE, formando o pó do filme do eletrodo de ligação. A mistura é então extrudada em um filme autossustentável.
Pulverização eletrostática: O material ativo, o agente condutor e as partículas de ligante são pré-misturados com gás de alta pressão. O pó é carregado negativamente por meio de uma pistola de pulverização eletrostática e depositado em um coletor de corrente de folha metálica com carga positiva. O coletor revestido com ligante é então prensado a quente; o ligante derretido adere a outros pós e é comprimido em uma película autoportante.
2.2 Princípio da Tecnologia de Processo Seco de Fibrilação
A fibrilação transforma o PTFE em fibrilas sob força de cisalhamento externa. Devido às baixas forças de van der Waals e ao empilhamento solto do PTFE, as forças de cisalhamento convertem aglomerados em fibrilas que formam uma rede de pó de eletrodo de ligação.
Temperatura e cisalhamento são fatores críticos que afetam a fibrilação do PTFE. Acima de 19 °C, o PTFE passa de um sistema cristalino triclínico para um hexagonal, amolecendo as cadeias moleculares e permitindo a fibrilação.
A produção de filmes de fibrilação precede a calandragem com eletrodos. Os principais equipamentos de fibrilação incluem moinhos a jato, extrusoras de parafuso e moinhos abertos.
Após a mistura completa do PTFE e do material ativo, a mistura é alimentada em uma máquina de fibrilação. Sob pressão do rolo, forma-se um filme autossustentável. Dados experimentais mostram que velocidades de alimentação mais baixas aumentam a impedância do filme do eletrodo, enquanto uma força de calandragem maior reduz a impedância.
II. Eletrodo seco vs. úmido: vantagens e desvantagens
1. Menor custo: redução de 18% nos custos de fabricação
O processo a seco tem menos etapas. A produção em massa reduz os custos de fabricação de células em 18% (0,056 RMB/Wh). No processamento a úmido, o revestimento/secagem e a recuperação de solventes representam 22,76% e 53,99% dos custos com equipamentos, mão de obra, instalações e energia, respectivamente. O processo a seco substitui o revestimento em pasta pela formação de filme autossustentável, eliminando o uso de solvente NMP, a secagem de eletrodos e a recuperação de solventes — reduzindo significativamente os custos.
O processo a seco é mais ecológico e escalável. O NMP (N-metilpirrolidona) tóxico requer reciclagem com alto consumo de energia em processos a úmido. O processamento a seco sem solventes simplifica os fluxos de trabalho, reduz o consumo de equipamentos e permite a produção de eletrodos em larga escala.
2.
Maior densidade de material ativo: aumento de 20% na densidade de energia
A fibrilação de PTFE permite uma morfologia mais suave do eletrodo seco em comparação com eletrodos úmidos. A evaporação do solvente no processamento úmido cria vazios entre o material ativo e os agentes condutores, reduzindo a densidade de compactação. Sem secagem, os eletrodos secos eliminam os vazios, garantindo um contato mais firme entre as partículas.
Eletrodos secos alcançam maior densidade de compactação com menos rachaduras/microporos:
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LFP: 2,30 g/cm³ → 3,05 g/cm³ (+32,61%)
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NMC: 3,34 g/cm³ → 3,62 g/cm³ (+8,38%)
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Ânodo de grafite: 1,63 g/cm³ → 1,81 g/cm³ (+11,04%)
Maior conteúdo de material ativo por volume permite maior densidade energética.
Baterias secas atingem densidade energética 20% maior sob condições idênticas. Dados da Maxwell mostram que eletrodos secos excedem 300 Wh/kg, com potencial para 500 Wh/kg.
Eletrodos secos suportam limites de espessura maiores (30 µm–5 mm vs. 160 µm dos úmidos), aumentando a capacidade de área e a compatibilidade com diversos materiais ativos.
3. Desempenho elétrico superior
Testes de laboratório confirmam que as baterias de processo a seco se destacam em ciclo de vida, durabilidade e impedância. A rede de fibrilas melhora a estabilidade do material e o desempenho elétrico.
No processamento úmido, 500 ciclos acumulam tensões internas nas partículas ativas, causando rachaduras transversais que degradam o desempenho da bateria. No processamento a seco, a rede de fibrilas reveste os materiais ativos, mantendo a integridade estrutural após 500 ciclos com o mínimo de rachaduras superficiais. A estrutura da malha também suprime a expansão do material ativo, previne o desprendimento de partículas dos coletores de corrente e melhora a estabilidade e o desempenho elétrico.
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