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2024-03-18 固態電池返回

固態電池生產工藝解析

自20世紀90年代以來，鋰離子電池已發展成為最成熟、應用最廣泛的電池技術路線。隨著市場對電池能量密度、安全性、經濟性等方面要求的日益提升，傳統鋰離子電池已逐漸不能滿足需求。采用固體電極和固態電解質且具備更高能量密度和安全性的“固態電池”便應運而生。

固態電池有多方面優勢，比如固態電解質的結構和密度可以聚集更多帶電離子、傳導更大電流，而且可以采用金屬鋰等材料做負極，以提升單位體積的電池容量和續航能力；固態電解質的封存相對簡便，能夠節省成本，減輕電池體積，更加輕便；固態電解質化學結構穩定，可以減小電池在高溫下的化學反應和爆炸風險，電池性能更穩定。

傳統鋰離子電池包括正極、負極、電解液、隔膜四大組成部分，固態電池將電解液換成固態電解質。固態電池較之傳統鋰離子電池，關鍵區別在于電解質由液體變為固體，兼顧安全性、高能量密度等性能。

資料來源：科研云平臺

對于固態電池，其生產工藝需要在電極、電解質、界面工程及封裝技術等方面進行突破，生產工藝性的優化提升是實現固態電池工程化和商用應用的重要組成部分。與傳統液態鋰離子電池相比，固態電池的前段工序基本與液態鋰離子電池相同，中、后段工序上，固態電池需要加壓或者燒結，不需要注液化成。

傳統液態軟包鋰電池生產工藝

（資料來源：科研云平臺）

固態電池可以分為聚合物固態電池、硫化物固態電池、氧化物固態電池及薄膜固態電池等不同的電池體系。整個固態電池的生產流程中，電解質成膜工藝是關鍵工藝。不同的工藝會影響固體電解質膜的厚度和離子電導率，固體電解質膜過厚會降低全固態電池的質量能量密度和體積能量密度，同時也會提高電池的內阻。相反，固體電解質膜過薄機械性能會變差，有可能引起短路。通過幾十年的研究，在材料開發方面，不同類型的固態電解質（聚合物、氧化物、硫化物等）已經能夠被成功地合成制備出來。

電解質成膜工藝作為固態電池的核心工藝，可分為干法工藝與濕法工藝兩大類。除干法與濕法兩種工藝外，還可以通過化學氣相沉積、物理氣相沉積、電化學氣相沉積和真空濺射的氣相法制備固體電解質膜。但是氣相方法的制備成本較高，只適用于薄膜固態電池。

固態電池干法/濕法生產工藝比較

聚合物固態電池

對于聚合物固態電池制備，均使用涂布的方法制備復合聚合物固體電解質正極層和聚合物固體電解質中間層，層壓為聚合物固態電池。電極片與現有的液態電池制備方式類似，兼容現有產線。

以亞琛工業大學研究機構PEM的聚合物固態電池制備工藝為例，正極和固態電池電解質材料的制備平行進行，通過高溫熔化和返混擠出的過程形成正極和電解質漿料。兩種漿料通過一起擠出的方式，分別疊加在正極集流體材料上。之后，再將金屬鋰壓制成漿料后涂布在電解質材料的表面，形成集流體-正極材料-固態電解質-鋰負極的混合多層電芯。最后，通過輥壓法，把多層電芯壓實。

聚合物固態電池電極、電解質制備

（資料來源：科研云平臺）

將制備好的電芯裁剪成固定尺寸，依照不同需求，將電芯依照串并聯的方式疊放在一起。之后，對疊放好的電芯進行壓實和封裝，經過化成和老化工序，制作完成。然后，對電池進行測試和評級。

聚合物固態電池制備流程

（資料來源：科研云平臺）

對于聚合物固態電池生產工藝，其特點在于，通過干法和濕法工藝均可制備復合固態正極和聚合物電解質層，電池組裝通過電極與電解質間的卷對卷復合實現；干法和濕法都非常成熟，都易于制備大電芯；易于制備出雙極內串電芯。但是聚合物固態電池制備工藝也存在一定問題，例如成膜均一性難以控制；難以兼容高電壓正極材料，導致能量密度不高；受醚類聚合物電解質材料限制，電池往往在高溫下才能工作等。

硫化物固態電池

硫化物固態電池干法工藝

（資料來源：科研云平臺）

對于硫化物固態電池干法工藝，其技術優勢包括節省去溶劑工藝制備成本及節約制備周期；無其他物質（溶劑）對電解質的影響；干法電池性能更穩定。但硫化物固態電池干法工藝也存在技術劣勢，如制備大容量電池困難；電解質層厚度較厚，阻抗較高；粉末壓實需要較高平壓壓強（10t/cm2）等。

氧化物固態電池

對于氧化物固態電池制備，以德國RWTH PEM制備工藝為例。電池正極和固態電池電解質材料的制備通過球磨的方式分別進行；使用高頻濺射法，將固態電池濺射到正極材料表面；將復合好的正極-電解質材料進行高溫燒結；通過電子束蒸發法將負極分布到電解質材料上。

氧化物固態電池制備流程

（資料來源：科研云平臺）

薄膜固態電池

以日本ULVAC的LIPON薄膜全固態電池為例，其LIPON非晶氧化物固態電解質，1992年由美國橡樹嶺實驗室通過射頻磁控濺射Li3PO4靶材制備。正極集流體、正極、LIPON、負極集流體、金屬鋰負極、外包裝保護層均通過真空鍍膜技術制備。

LIPON薄膜全固態電池結構及制備流程

（資料來源：科研云平臺）

LIPON薄膜全固態電池量產工藝及改進

（資料來源：科研云平臺）

小結

當前固態電池已成為各國角逐的熱點技術，固態電池所使用的固體電解質本身需要相對復雜的合成或處理工藝，固體電解質自身的性質及其和電極的理化相容性不但影響著電池材料體系在科學角度的構建，也影響著其工程化進程。固態電池未來需要繼續提升電極和電解質材料的綜合性能，設計新型集流體/電極/電解質復合結構，發展新型制造工藝和裝備，逐步推進電池制造技術的提升

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