【摘要】 探索NMP替代品DMF结合丝网印刷工艺制造锂离子电池NMC阴极。研究发现该方案性能媲美传统工艺，能耗降低30%，助力可持续电池制造。了解NMC523/NMC88材料验证与节能详情。

在物联网和工业4.0浪潮推动下，便携电子设备需求激增，同时全球环保目标和能源转型也加速了电动汽车与智能电网的发展。这一切都离不开高性能电池的核心支撑——它们需要能量密度高、充放电快、寿命长且安全可靠。其中，采用镍锰钴（NMC）氧化物阴极​（如LiNiₓMnᵧCo₂O₂）的锂离子电池技术，因其优异的综合性能（高比能、低自热、长寿命）而成为主流选择。

然而，电池的可持续制造日益成为关键考量。目前主流的NMC阴极浆料溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP）​，在制造过程中的能耗问题不容忽视——尤其是干燥环节需要大量能量进行蒸发和溶剂回收（见图1b）。

图1 NMC丝网印刷电池。（a） NMC化学特征。（b）基于NMP溶剂的阴极电池制造过程中的能量消耗干燥的消耗估计包括蒸发和回收NMP溶剂所需的能量。（c）光学显微镜和扫描电镜插图，展示了从铝集流器表面印刷的cyrene基NMC材料的分层（插图中，Al为蓝色）。（d）铝制集流器阴极丝网印刷示意图。（e）制备袋状细胞，进行循环和表征

 

DMF溶剂：丝网印刷的创新方案

为应对NMP的能耗挑战，一项重要研究提出使用二甲基甲酰胺（DMF）​ 作为替代溶剂，并结合丝网印刷工艺来制造电池阴极。该研究以成熟的NMC523​（LiNi₀.₅Mn₀.₂Co₀.₃O₂）和更高容量的NMC88​（LiNi₀.₈₈Mn₀.₀₃Co₀.₀₉O₂）材料为验证对象。

  • ​工艺对比：​ 研究团队系统比较了使用DMF溶剂进行丝网印刷与传统使用NMP溶剂进行刮刀涂布（叶片涂布）​ 的工艺效果。

  • ​物理化学分析：​ 通过扫描电镜（SEM）和光学轮廓仪对两种工艺制备的阴极涂层进行了微观结构和形貌表征（图2, 图3）。

图2 （a） NMP叶片涂层NMC层的横截面图;（b） DMF网印NMC层的横切面图;（c） NMP叶片涂层NMC层的平面视图;（d） DMF网印NMC层平面图

图3 （a） NMP NMC523叶片涂层层的形貌;（b） DMF NMC523网印层形貌;（c） NMP - NMC88叶片包覆层形貌;（d） DMF NMC88丝网印刷层的形貌

  • 电池性能：​ 将两种工艺制备的阴极分别组装成纽扣电池和软包电池，并进行了严格的1000次充放电循环测试​（1C倍率充放电）。

  • ​能耗分析：​ 关键发现之一是，由于DMF的沸点低于NMP，其干燥时间显著缩短，直接导致干燥环节能耗大幅降低​（估算可减少约30%）。

 

研究成果与优势

1.​性能相当：​ ​DMF丝网印刷工艺制备的NMC阴极，其电化学性能与传统NMP叶片涂布工艺相当甚至略有优势。循环测试表明，​NMP叶片涂布电池在1000次循环后容量保持率约为87%，而DMF丝网印刷电池达到了90% 的优异保持率（图1e）。

2.​结构差异不影响性能：​ 虽然物理分析显示，DMF丝网印刷的阴极表面粗糙度稍高，聚合物粘结剂（PVDF）分布略显不均匀，但这些微观差异在电池组装前的压延（Calendering）​ 工艺后得以改善，并未对最终电池的循环性能产生负面影响。

3.​显著的节能效益：​ 最大的优势在于能耗降低。使用DMF替代NMP结合丝网印刷，能将电池制造过程​（尤其是干燥环节）的能耗降低约30%，这对于减少电池生产碳足迹、实现可持续电池制造目标意义重大。

4.​广泛适用性：​ 该方案成功应用于NMC523和NMC88两种材料，证明了其在不同NMC配方上的高适用性。​丝网印刷工艺本身也具有易于放大、适应性强的特点。

 

结论与展望

这项研究证实，采用DMF溶剂配合丝网印刷技术来制造锂离子电池NMC阴极，是一种高效且可持续的NMP替代方案。它不仅能提供与传统工艺媲美的电池性能，更能显著降低生产能耗，助力绿色电池制造。

尽管DMF本身不完全属于“绿色溶剂”，需要后续研究探索更环保的替代品，但这项工作清晰地指明了方向：选择低沸点、易干燥的溶剂​（如DMF）结合合适的涂布工艺（如丝网印刷），是优化电池制造能效、减少温室气体排放的有效途径。这对于推动锂离子电池技术向更高效、更可持续的未来发展至关重要。

 

参考文献：1.Sliz, R.;  Valikangas, J.;  Silva Santos, H.;  Vilmi, P.;  Rieppo, L.;  Hu, T.;  Lassi, U.; Fabritius, T., Suitable Cathode NMP Replacement for Efficient Sustainable Printed Li-Ion Batteries. ACS Appl. Energy Mater. 2022, 5 （4）, 4047-4058.

 

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