固态锂电池的全电池制造工艺.docx

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1、固态锂电池的全电池制造工艺固态电池制造过程的三个步骤分别是电极和电解质隔膜的生产、电池单元组装以及电池单元的后处理。1、电极和电解质隔膜的生产电极和固态电解质隔膜的生产是制造过程中的关键环节，关于阴极、阳极和固体电解质有不同加工方式。在工艺流程链方面，即加工步骤的顺序，存在不同的选择。一种选择是先将阴极复合材料沉积到载带上，或者直接沉积到集电器上，然后在阴极上方沉积固体电解质。阳极则单独制造（制成独立的箔片，或者在集电器上制作），然后与阴极/隔膜薄膜以及集电器堆叠在一起。另一种选择是先将固体电解质沉积到载带上，然后在其上方沉积阴极复合材料。在这种情况下，阳极同样也需要单独加工，最后与阴极/隔膜

2、薄膜堆叠在一起。不同的工艺流程链都是可行的，然而，在目前的技术发展阶段，尚不清楚哪种工艺流程链会适用于哪种固态电池技术。此外，沉积过程可能会因所使用的材料以及可能需要的步骤（如溶剂蒸发、退火、烧结和压延）而有很大差异。根据电极和固态电解质隔膜的生产工艺，可能需要进行层压步骤，以确保各个组件之间有良好的接触。在这个层压步骤中，将阴极、固体电解质隔膜、阳极和集电器组合在一起，并通过滚轮相互挤压贴合。2、电池单元组装在电极或基本电极堆叠体制造完成后，需要将它们组装成电极堆。固态电池的电池单元组装步骤与当前先进的锂离子电池（LIB）的组装步骤类似，但也存在一定差异。切割基本电极堆叠体是电池单元组装的第

3、一步，例如可以通过激光切割来完成。接下来的工艺步骤是堆叠，即将切割好的基本电极堆叠体相互堆叠，形成一个电池堆。根据电池的形式，既可以将单片电极片，也可以将连续的电极带相互堆叠起来。然后将电池堆压合在一起（可能还会进行加热），以使电池堆中各个层之间形成良好的界面接触。一个关键的区别在于电池的形式。目前大多数先进的锂离子电池是以圆柱形电池的形式生产的（从数量上来说），其固态电解质隔膜和电极具有柔韧性，电极片的缠绕并不复杂。相比之下，对于固态电池而言，带有堆叠电极的软包电池是最方便的电池形式，因为无机隔膜材料，尤其是氧化物材料很难甚至无法进行缠绕。不过，聚合物固态电池可以制成圆柱形电池，甚至硫化物固

4、态电池制成圆柱形电池的可能性也正在研究中。最初，固态电池的电极会像目前先进的锂离子电池那样以并联的方式堆叠，但人们常常提到，双极堆叠电极有可能提高固态电池模块的能量密度和电池电压。双极集电器（CC）可作为相邻电化学单元中两个相对电极的集电器；因此，多个单元可以串联连接。对于使用液体电解质的类似概念电池来说，各个电化学单元之间需要进行密封，因此在电池设计方面极具挑战性O双极堆叠在实际应用中仍有很大差距,可能还需要新的集电器材料。止匕外，电化学单元的生产需要具有近乎完美的可重复性，而目前固态电池还无法做到这一点。电池单元组装过程的最后步骤是连接和封装。将集电器焊接到接触片上。在并联电池结构中，每个

5、基本电极堆叠体的集电器都需要连接；在双极结构中，只需连接最外层的集电器即可。最后，将电池堆封装在一个矩形电池外壳中，形成软包型电池(热封/胶合)或棱柱形硬壳电池(焊接)。与使用液体电解质的锂离子电池不同，对于全固态电池(ASSB),或者至少对于不含任何液体电解质的固态电池概念来说，可以省略电解质灌注和脱气步骤。3、电池单元后处理在完成电池单元组装后，电池生产的最后几个步骤，即化成、老化和测试是必不可少的。在化成步骤中，电池要经历首次充电和放电循环O之后，在老化步骤中，电池会在可控环境中存放数天甚至数周，并进行测试以检测出有缺陷的电池。对于目前最先进的锂离子电池(LlB)来说，化成和老化过程可能

6、需要长达三周的时间，且成本占制造成本的三分之一。预计与使用液体电解质的锂离子电池相比，固态电池(SSB)的化成和老化时间将会缩短，因为固态电池有望更快地达到稳定运行状态。对于带有锂阳极的固态电池，其化成过程甚至有可能完全省略。然而，尤其是在刚进入市场阶段，电池不太可能在没有经过彻底的老化处理和质量检查的情况下就投放市场，因此，省略化成步骤并缩短老化过程可以被视为一个长期目标。测试和分级是电池生产的最后一步。对电池单元进行电学特性分析，并根据其性能进行分类(分级)。这一步骤对于固态电池来说，与目前最先进的锂离子电池的操作类似。4、与当前先进锂离子电池QlB)制造工艺的比较根据一项基于调查的专家评

7、估，当前先进的锂离子电池(LIB)生产工艺中，有20%到60%可以直接移植到固态电池(SSB)的制造过程中。确切的比例在很大程度上取决于所采用的固态电池技术以及使用的材料组合。表8将当前先进的锂离子电池制造工艺的不同生产步骤，与氧化物、硫化物和聚合物固态电池的生产工艺进行了对比。对于氧化物和硫化物固态电池，目前尚未实现大规模生产。因此，该表格展示了成熟度最高的制造步骤(基于专家评估)。一旦这些固态电池概念推向市场，实际应用的制造步骤可能会与所概述的有所不同。此外，为了清晰起见，表格中仅展示了主要的生产步骤，但可能还需要额外的步骤，比如电极涂层的制备。聚合物固态电池已经实现了吉瓦时(GWh)规模

8、的生产。该表格不仅概述了固态电池的制造步骤，还展示了哪些工艺步骤可以从当前锂离子电池的制造工艺中转移过来。颜色编码表明了生产工艺的可转移性。绿色表示该工艺与当前锂离子电池的生产工艺相同，或者在很大程度上可以借鉴；黄色表示该工艺存在重叠部分，但也有一些明显差异；标为橙色的工艺则与当前先进的锂离子电池生产工艺有着本质区别。Production乂吧Uthium-IonOxidSSBSdfdSSBPolymfSSBLongttrmgoalAnodeWtprocessingSlurrymixingandCMUng.drying,calendermgExtrusionproc.”(LkfoiI)Eitri

9、mon.Ciedeng.temnt*onEMtmsIor*procsOifOioERtrUSkXKiendemg,Ianw-ntonExtrusionprocess(Ufoi)Extruwoacalende11ng.UfnZt5ln*rtuUSodeformationWtpr0cMS9(Si-tMsedanode)SkrrymungndCMng.drying.CiitndtmgCathodcco11PtMedProceSmSeparatorExtrusionpeoc*sDfyeitruwcnprocess(PP)Wrteafruvonprocess(P三)WtprocessingSlUrryE

10、tXIng-tdcoating.ZghTemperaturevnte11nglUrnInfttton,IowTem-PfrMg11tAssemblyCelbAssembIySiddLGg.Ubwddv)g&packaging,CtecVotyIrMhng.forma*o.degessngandtMgavgCHAssmbtySteckpr*wr9.noHectrotyteMingand*9MSgformationandRngSorterth4nforHBCe*AssemblyStMprnvng,noelectrolyteflmgenddegMvng,formationandagmgshorter!hnforUBCel-AssemblySudIpressing,noHectrolyiefiling4ndCtegeMInq.formabodndagngShortorthanforU8Completeiyomitfonandaging表1：氧化物固态电池、硫化物固态电池和聚合物固态电池的典型制造工艺，与当前最先进的锂离子电池制造工艺的对比（绿色阴影部分：与当前锂离子电池生产中相同/相似的工艺；黄色阴影部分：该工艺显示出相似之处，但也存在显著差异；橙色阴影部分：与当前工艺存在根本性差异的工艺）：