中國粉體網(wǎng)訊
全固態(tài)電池致密化，靠什么？
當(dāng)全固態(tài)電池的正負(fù)極和固態(tài)電解質(zhì)都制備完畢后，其組裝方式至關(guān)重要。目前主要有兩種方式，其一是自支撐組裝，將切割至設(shè)計(jì)尺寸的片狀正極、負(fù)極和固態(tài)電解質(zhì)膜3個(gè)層疊加在一起，隨后進(jìn)行壓制以增強(qiáng)界面接觸，最后進(jìn)行焊接和封裝；另一種是正極支撐組裝，在這種方案中，電解質(zhì)漿料直接鑄造到片狀正極的表面，片狀負(fù)極或Li箔附著在正極–電解質(zhì)層的表面，然后將原型電池切割并壓制。
在全固態(tài)電池的組裝和堆疊過程中，致密化是一個(gè)關(guān)鍵步驟，目的是減少電池內(nèi)的孔隙率并增強(qiáng)電極與固態(tài)電解質(zhì)之間的接觸。常見的致密化方法包括輥壓、單軸面壓制和等靜壓。輥壓是最常見的致密化方法，尤其適用于Li+電池的生產(chǎn)，因其具備較高的通量和易于擴(kuò)展性。然而，對于全固態(tài)電池而言，所需的致密化壓力遠(yuǎn)高于Li+電池，通常需要超過300 MPa的壓力，這可能會(huì)導(dǎo)致固態(tài)電解質(zhì)和電極層的不均勻性，甚至發(fā)生裂紋。
因此，單軸壓制通常用于致密化全固態(tài)電池，尤其是在軟包封裝過程中。單軸壓制在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下表現(xiàn)良好，但其處理大面積電池時(shí)，所需的噸級壓力會(huì)隨著電池面積的增大而線性增加，導(dǎo)致對更大液壓壓機(jī)的需求。為了克服這一問題，可以使用等靜壓技術(shù)。
等靜壓技術(shù)最初主要應(yīng)用于金屬與陶瓷領(lǐng)域，憑借其致密化與組織均勻化優(yōu)勢，逐漸廣泛用于改善金屬組織、近凈成形、高技術(shù)陶瓷致密化、缺陷修復(fù)等眾多領(lǐng)域；歷經(jīng)數(shù)十年驗(yàn)證，該技術(shù)早已成熟應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、汽車、電子等多種工業(yè)場景。
按成型與固結(jié)溫度不同，等靜壓技術(shù)分為冷、溫、熱三類，“冷—溫—熱”等靜壓依次對應(yīng)工作溫度遞增、所需壓力遞減，成品致密化程度與生產(chǎn)成本遞增，而生產(chǎn)效率遞減。其中溫等靜壓在致密化性能、生產(chǎn)效率與成本之間實(shí)現(xiàn)平衡。
在全固態(tài)電池領(lǐng)域，等靜壓工藝可有效解決固態(tài)電池固-固界面接觸問題，實(shí)現(xiàn)致密化。在固態(tài)電池循環(huán)過程中，固-固界面易出現(xiàn)接觸劣化、孔隙殘留與顆粒接觸不足等問題，通常需要進(jìn)行致密化處理，而傳統(tǒng)熱壓與輥壓因壓力方向單一、分布不均，易產(chǎn)生邊緣效應(yīng)與層間滑移，難以實(shí)現(xiàn)三維致密化和一致性。
等靜壓技術(shù)基于帕斯卡原理，能夠提高界面致密度、消除內(nèi)部空隙，改善組件接觸效果。其中，溫等靜壓的壓力與溫度區(qū)間契合固態(tài)電池致密化要求，在中溫條件下既能提升界面致密度，又可避免高溫副反應(yīng)；同時(shí)設(shè)備能耗和成本相對較低，具備產(chǎn)業(yè)化潛力；相比之下冷等靜壓致密化程度有限，熱等靜壓溫度過高導(dǎo)致副作用突出。因此，溫等靜壓就成為了當(dāng)前最優(yōu)工藝路徑之一。
等靜壓設(shè)備設(shè)計(jì)和制造目前的核心挑戰(zhàn)集中在腔體設(shè)計(jì)、溫/壓控制系統(tǒng)及安全性保障，對結(jié)構(gòu)、材料和精度提出極高要求。同時(shí)，等靜壓設(shè)備升溫加壓等環(huán)節(jié)耗時(shí)長，拖延生產(chǎn)效率；立式腔體自動(dòng)化程度低，產(chǎn)線適配性不足。這些因素限制了等靜壓設(shè)備用于全固態(tài)電池大規(guī)�；a(chǎn)。
固態(tài)電池等靜壓設(shè)備企業(yè)布局
在企業(yè)布局方面，海外企業(yè)進(jìn)展領(lǐng)先，國內(nèi)企業(yè)研發(fā)加速。海外等靜壓機(jī)企業(yè)主要以瑞典Quintus Technologies和韓國Hana Technology公司為代表。
Quintus Technologies總部位于瑞典，是全球領(lǐng)先的高壓技術(shù)解決方案提供商，擁有70余年等靜壓與柔性成型經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備廣泛應(yīng)用于先進(jìn)陶瓷、航空航天及汽車零部件制造。公司核心產(chǎn)品覆蓋高壓致密化壓機(jī)、熱等靜壓爐及配套工藝開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度、高一致性制品成型，并針對全固態(tài)電池等新興領(lǐng)域提供全流程壓實(shí)解決方案，具備從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到量產(chǎn)落地的全鏈路交付能力。
（圖源：Quintus）
Quintus在固態(tài)電池靜等靜壓設(shè)備上推出了實(shí)驗(yàn)室級的MIB 120和工業(yè)規(guī)模的QIB 180，支持從實(shí)驗(yàn)室到大規(guī)模生產(chǎn)的可拓展解決方案，并且計(jì)劃在2025年到2030年，陸續(xù)開發(fā)300系列、600系列和800系列的等靜壓機(jī)，滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求。
公司當(dāng)前用于固態(tài)電池的溫等靜壓機(jī)產(chǎn)品最高壓力可達(dá)600 MPa，最高溫度可達(dá)145℃；公司通過增大等靜壓機(jī)產(chǎn)品腔體以實(shí)現(xiàn)規(guī)�；a(chǎn)目標(biāo)，其QIB180產(chǎn)品最大年產(chǎn)能可達(dá)年22.6GWh，具備支持固態(tài)電池規(guī)模量產(chǎn)的潛力。公司正在研發(fā)臥式溫等靜壓設(shè)備（內(nèi)徑>300 mm、容積2000 L級、缸長達(dá)數(shù)米），單機(jī)年產(chǎn)能可達(dá)約22.6 GWh，能夠匹配固態(tài)電池自動(dòng)化產(chǎn)線。
Hana Technology為韓國電池設(shè)備企業(yè)，已經(jīng)開發(fā)了實(shí)現(xiàn)700MPa和200℃的溫等靜壓設(shè)備，已向LGES梧倉基地交付Φ400×2000 mm溫等靜壓整線，2025年將追加Φ600×3000 mm機(jī)型用于中試線建設(shè)。同時(shí)，公司預(yù)計(jì)2027年開始正式銷售，2030年全面銷售，并計(jì)劃在海外建設(shè)一條固態(tài)電池的量產(chǎn)線。另外，三星SDI天安工廠和LGES的核心設(shè)備供應(yīng)商Mplus，其溫等靜壓設(shè)備據(jù)悉也已經(jīng)出貨LGES中試線。
中國鋰電裝備龍頭先導(dǎo)智能成功研發(fā)出600MPa大容量等靜壓設(shè)備，通過提高一次裝載電芯數(shù)量來提高設(shè)備效率，可提供高效溫等靜壓作業(yè)環(huán)境，溫度最高150℃；配合絕緣邊框工藝，解決致密化過程極片位移、邊緣剪切問題，保證邊角無損傷；配套自動(dòng)套袋上料以及自動(dòng)下料拆袋設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化作業(yè)。
（圖源：先導(dǎo)智能）
等靜壓是唯一解決方案？
用于全固態(tài)電池致密化的這“最后一壓”是不是只能由等靜壓機(jī)來完成呢？據(jù)中國粉體網(wǎng)的觀察，并不一定。
據(jù)國內(nèi)鋰電裝備龍頭企業(yè)利元亨的杜義賢（研究院院長）介紹，等靜壓設(shè)備成本很高，產(chǎn)能比較低，生產(chǎn)過程不連續(xù)，是一籠電池裝好以后放在高壓釜里去壓，而且因?yàn)榈褥o壓的設(shè)備壓力一般達(dá)到500Mpa以上，所以安全性要求非常高。等靜壓工藝在小批量生產(chǎn)時(shí)有作用，但是當(dāng)大批量生產(chǎn)時(shí)其產(chǎn)生的問題就會(huì)凸顯。在他看來，干法電極和多級輥壓，或許也是一種很好的解決方案。
另據(jù)韓國媒體報(bào)道，此前推崇等靜壓技術(shù)的三星SDI今年也在將固態(tài)電池制造中的溫等靜壓機(jī)（WIP）轉(zhuǎn)移到輥壓機(jī)，并且在加強(qiáng)對后續(xù)工藝設(shè)備的開發(fā)和投資，以彌補(bǔ)輥壓機(jī)技術(shù)容易使材料斷裂的缺點(diǎn)。
這樣看來，無論是等靜壓設(shè)備還是輥壓設(shè)備如果直接用于全固態(tài)電池大規(guī)模生產(chǎn)中都存在突出的問題，因此仍需要改進(jìn)工藝以適配全新的固態(tài)電池量產(chǎn)過程。
近日先導(dǎo)智能的公告——“當(dāng)前全球固態(tài)電池行業(yè)仍處于技術(shù)迭代與產(chǎn)業(yè)化準(zhǔn)備階段，尚未進(jìn)入大規(guī)模批量量產(chǎn)周期，公司固態(tài)電池設(shè)備相關(guān)業(yè)務(wù)推進(jìn)存在不確定性”基本也驗(yàn)證了“全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈仍處于混沌狀態(tài)”這一判斷。
參考來源：
[1]段羿等：硫化物基全固態(tài)電池難點(diǎn)與挑戰(zhàn)，國聯(lián)汽車動(dòng)力電池研究院有限責(zé)任公司
[2]東吳證券：等靜壓設(shè)備——制約固態(tài)電池量產(chǎn)的關(guān)鍵瓶頸
[3]中國粉體網(wǎng)：等靜壓or輥壓？全固態(tài)電池生產(chǎn)關(guān)鍵工藝裝備待解之謎
[4]相關(guān)企業(yè)官微、官網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除！
