2024年6月5日,美国环境保护局(EPA)提议限制N-甲基吡咯烷酮(NMP)的使用。

NMP在锂电池正极极片及其原材料(碳纳米管导电浆料、石墨烯导电浆料、分散剂浆料、固态电解质浆料等)生产过程中作为溶剂,将所需物质融合在一起,充分接触并均匀分布,从而使各种原材料性能得到更充分发挥。

若锂电池生产禁止使用NMP,聚四氟乙烯(PTFE)大概率是突破的关键。要实现无NMP锂电池的制造,有两种方案:

1)使用水系匀浆替代油性NMP匀浆;

2)使用干法电极替代油性NMP匀浆。

水性正极材料粘结剂目前主流采用的是聚四氟乙烯乳液,主要用于磷酸铁锂正极材料,因为其它正极材料吸水性较强,不适合使用水进行匀浆。具体工艺为将聚四氟乙烯粒子与水混合研磨成聚四氟乙烯乳液,再将聚四氟乙烯乳液添加到磷酸铁锂正极材料浆料中进行匀浆。

尽管水系磷酸铁锂正极材料在技术上已经成熟,但水系磷酸铁锂容量发挥相对于油系磷酸铁锂容量低1-2%,再加上当前聚偏二氟乙烯(PVDF)价格较2022年的高位降低了90%,使用水系磷酸铁锂已没有优势,采用该技术路线的企业很少。

另一条路线为特斯拉采用的干法电极路线,干法电极也有望成为固态锂电池时代的主流技术路线。目前干法电极在锂电池负极涂布环节已经成功使用,但在二次锂电池正极涂布环节尚未成功应用。干法工艺是将固态粘接剂纤维化形成三维“网状”结构,从而实现粘结功能。

干法电极潜在使用的粘结剂主要有PTFE、乙端-四氟已烯共聚物、PVDF、四氟已烯-六氟两烯共聚物等,其中PTFE优势明显,其优势主要体现在:

1)PTFE分子量更大,更适合纤维化形成更稳定的“三维”网络,从而固定住正极材料,使电池性能稳定;

2)PTFE更稳定,惰性更强,不容易与其他物质发生化学反应,影响电池性能;

3)不易燃烧,能承受更高温度,安全性好。

常规PTFE材料无法直接用于正极涂布和负极涂布,必须要经过改性才能用于相关环节。

正极干法电极用PTFE需要达到超高分子量、高机械强度、高黏性、高柔韧性、电化学性质稳定、耐蠕变性等性能要求。负极干法电极用PTFE,若不经过改性,PTFE会与负极表面的锂离子反应生成氟化锂,削弱粘合效果,降低容量。每克PTFE大约会消耗 1070 mAh 的锂,PTFE锂耗巨大,如果不改性,则很难实现应用。

当前国内尚未实现量产级别的锂电干法电极用PTFE材料。高工产研锂电研究所(GGII)预计2-3年后国内将实现量产级别的锂电干法电极用PTFE材料生产与销售。

因此,实现无NMP添加的锂电池方案,无论采用水系磷酸铁锂还是干法电极工艺,PTFE都是关键材料

GGII预计,到2030年,全球锂电行业对于PTFE的需求量有望达到2万吨,市场规模超过20亿元。

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