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固態電池帶動生產工藝、相關設備的革新

高工鋰電 ? 來源:高工鋰電 ? 2024-05-29 11:24 ? 次閱讀

在電解質之外,生產工藝、相關設備的革新,不僅是固態電池布局企業樹立差異的重點方向,更是固態電池從實驗室研發邁向量產出貨的必要因素。

據高工鋰電從部分已確定技術路線的固態電池團隊處了解,其當下的攻克重心并不僅是材料體系的創新,而在于如何將供應鏈與量產線搭建起來。雖有聚合物基固態電池等與現有液態電池產線兼容度高,但并不等同于不需要定制設備與創新工藝的推動。

具體來看,固體電解質的成膜工藝是固態電池制造的核心。為了固固界面接觸不良、離子電導率低等問題的綜合解決,固態電池主要在電解質制備、電解質薄膜制備的環節上提出差異化要求。

其一,固態電解質的制備需考慮到電解質與電極材料的持續接觸能力,以降低內阻、延長循環壽命。

具體到硫化物固態電解質的量產,需優化固相法工藝,降低能耗,或開發新型硫化物批量生產工藝如液相法、氣相法等。

在氧化物電解質的制備上,市場中主要廠家的工藝路線存在較大差異化。如天目先導采用二次水熱法來控制晶粒尺寸,提高離子擴散系數;贛鋒鋰業則將噴霧干燥與固相法結合,最終形成球形含鋰氧化物電解質。

其二,固態電解質多以薄膜形態進行制備,而薄膜厚度的控制是核心,瓶頸在于如何在批量制造過程中避免產生裂紋和缺陷,最終達到一定良率的要求。

受到電解質材料力學性能受限等的影響,目前業內能夠實現的電解質膜厚度為20-40微米。若考慮到能量密度的要求,接下來還需要進一步降低至10微米。

針對以上,原位固化的制備策略被提出。“原位”指在電池內部,“固化”指通在熱學、光學或電學條件下,將液態前驅體全部或部分轉化為固體電解質(如通過加熱去除溶劑)。

相關研究指出,其目標是要讓電解質相和電池材料相在原子尺度保持持續接觸,也就是使固態電解質能和正負極顆粒緊密結合。該方法既可以在電解質與電極之間產生“超共形界面兼容”,還可以實現小于20微米的超薄電解質的可控制備。

據不完全統計,中科深藍匯澤、清陶、衛藍、領新新能源、比克等團隊均公開宣稱采用了原位固化技術。

不過,原位固化實現良率還面臨著諸多不確定性。

材料上,原位固化技術要求對液態電解液的配方,引發劑交聯劑的結構設計均做出相應改進。

工藝上,原位固化的主要把控點在于固化時間、壓力和溫度,以及固化-化成等工序的順序。一方面,固化時間長達2-3小時,會對量產效率造成一定影響。另一方面,固化與化成孰先孰后,均會導致溫度受限、阻抗增大、循環壽命降低等不同問題的產生。

此外,熱固化設備與傳統鋰電產線的熱壓工藝設備兼容性高,而紫外線固化的工藝則需要調整化成工藝并增加對應設備。

另由于硫化物材料、鋰金屬負極等易對有機溶劑產生副反應,且固態電池產業化對降本增效的需求迫切,包含干法電極、干法制膜在內的干法工藝正逐漸被應用于固態電池中。

干法工藝不使用溶劑,只需少量粘合劑,主要是將電極、電解質粉體材料與粘結劑,經由高剪切和/或高壓加工步驟來破碎和混合。

基于此,干法工藝可以解決溶劑殘留的問題、并省去了濕法工藝后烘干的環節,因此具備提高電導率(粘結劑以纖維狀態存在,方便電子和離子通過)、降低成本的雙重優勢。不過,干法工藝形成的固體電解質膜通常厚度偏大,會降低全固態電池的能量密度。

另由于在售粘結劑顆粒較大,難以均勻分散;且極片、電解質成型過程中易發生位置偏移甚至變形,以上因素還會導致最終良品率的下降,特斯拉4680電池量產難以跨過的難關,如今也同時出現在固態電池量產中。

此外,干法工藝較為復雜,需經過多次成型,電極膜、集流體分開收放卷再集合,生產效率較低,且設備占地面積較大,生產成本較高。干法工藝相較濕法工藝對于輥壓設備的工作壓力、輥壓精度以及均勻度也提出了更高的要求。

嘉拓智能介紹,公司已開展KATOP干法實驗室,在混料階段研發出高速粉碎機、密煉機、氣流磨、流化床、干法攪拌機;在壓延階段,推出了開煉機、對輥機、三輥輥壓機、雙鋼帶成膜機。

嘉拓智能亦在干法電極整線流程推出相應的解決方案,其設備產品可在全流程生產工藝中實現均勻混料、物料纖維化、連續成膜,并保證膜片厚度與一致性。

目前,利元亨已開發出用于生產固態電池干法電極的核心裝備。此前,利元亨與清陶能源簽署了4份固態電池產線設備購銷合同,從制片段到化成分容檢測段,該批產線于2022年7月交付。

納科諾爾聯合清研電子推出干法電極成型覆合一體機,實現電極膜成型以及電極膜與集流體復合的一體化。輥壓寬度可達450mm,輥壓速度高達50m/min,通過閉環控制和實時數據采集,其精度控制在±1.5μm。

該一體機采用8輥連軋設計,融合伺服輥縫控制、測厚厚度閉環控制、切邊寬度/糾偏閉環控制、獨立收膜/收卷設計、MES系統實時數據采集等多項創新技術。

最后,固固界面問題的解決,還催生了等靜壓技術的發展。

考慮到固態電解質要與電極形成良好的固固接觸界面、在循環過程中會發生接觸損耗、以及要抑制鋰枝晶形成等,堆疊時需要新增加壓設備,施加超過100MPa壓力使各材料致密堆積。固態電池的壓制必須在高壓和高溫下快速完成。

傳統熱壓、輥壓方案提供壓力有限且施加壓力不均勻,難以保證致密堆積的一致性要求,進而影響固態電池性能。而等靜壓技術基于帕斯卡原理,使用機器內的液體和氣體(如水、油等)在電池上施加完全一致的壓力,從而產生高度均勻的材料。

三星SDI是等靜壓技術的推崇和應用者。今年1月,有報道稱其正在固態電池產線中測試采用水壓和輥壓工藝的溫等靜壓機 (WIP-warm isotactic press)。該結構類似于“水箱”,在400MPa和600MPa壓力下形成電芯約需要30分鐘,而傳統電芯形成僅需要15分鐘左右。為了縮短時間、提高生產率,三星SDI選擇對輥壓進行保留。

等靜壓的推廣還面臨著如何選取合適的壓制溫度和壓力組合,以及如何控制壓實質地等,如何提高生產效率與良率等挑戰。

審核編輯:劉清
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原文標題:固態電池帶動設備工藝革新

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