Introduction to the main manufacturing processes for solid-state batteries!

固态电池主要制造工序介绍!

部分兼容液态锂电池,以叠片为主,成膜是关键环节。固态电池采用复合正极,电解液添加方式不同于液态电池,主要是叠片。固态电池和液态电池在制造工艺上有很多相似之处,比如极耳的制造过程都是以浆料搅拌、涂覆和延伸为主,分切完成后再进行极耳焊接、PACK(电池组加工成组),最核心的区别有三点:

(1)固态电池正极材料复合材料,即采用固态电解质与正极活性材料混合作为复合正极;

(2)电解液添加方式不同,液态电池是在极耳焊接后将电解液注入电池内部并封装,而固态电解质除了与负极活性物质形成复合负极外,还需在已完成的复合负极上再次涂覆;

(3)液态锂离子电池极片可以采用卷绕或叠层的形式进行组合,而固态电池由于其氧化物、硫化物等固体电解质的韧性较差,通常采用叠层封装的形式。

固态电解质的核心工序是成膜,成膜又可分为干法、湿法等工艺。固态电池的制造,核心工序在于固态电解质成膜环节,电解质成膜工艺会影响电解质的厚度及相关性能,厚度较薄,会导致其力学性能相对较差,容易造成破损和内部短路,较厚内阻增大,而且由于电解质本身不含有活性物质,降低了电池单体及体系的能量密度。

①、湿法成膜工艺
模具支撑膜,适用于聚合物及复合电解质,将固体电解质溶液倒入模具中,溶剂蒸发后得到固体电解质膜;阳极支撑膜,适用于无机及复合电解质膜,将固体电解质溶液直接倒入阳极表面,溶剂蒸发后在阳极表面形成固体电解质膜;骨架支撑膜,适用于复合电解质膜,将电解质溶液注入骨架中,溶剂蒸发后;骨架支撑膜,适用于复合电解质膜,将电解质溶液注入骨架中,溶剂蒸发后形成有骨架支撑的固体电解质膜,可以提高电解质膜的机械强度。湿法工艺的核心是粘结剂和溶剂的选择,要容易蒸发,对电解质有良好的溶解性和化学稳定性。湿法工艺的缺点是溶剂可能有毒,综合成本相对较高,如果溶剂蒸发不完全,可能会降低电解液的离子电导率。

②、干法成膜工艺
将电解质与粘结剂混合后研磨分散,将分散后的混合物在加压(加热)条件下制备成固态电解质薄膜,该方法不使用溶剂,无溶剂残留,干法的缺点是电解质薄膜相对较厚,因为其中不存在活性物质,会降低固态电池的能量密度。

③、其它成膜工艺
包括化学法、物理法、电化学气相沉积法、真空溅射法等方法。该类工艺成本较高,适用于薄膜全固态电池。

聚合物的工艺兼容性更广,硫化物对环境要求较高,氧化物适合沉积和铸造。固体电解质的成膜方法较多,聚合物、硫化物和氧化物可以结合各自的特性,搭配出最合适的成膜工艺。

(1)聚合物固体电解质由于其具有最优的加工性能,具有最强的工艺兼容性,除了无法造粒而不能适用于沉积法之外,采用干延伸、干喷涂、挤出、流延和浸润等工艺均可实现聚合物固体电解质薄膜的制备。

(2)硫化物因空气稳定性差,不适宜采用高温条件下的挤出法和小尺寸的沉积法制备,此外还可采用延伸、喷涂等工艺制备硫化物固体电解质薄膜。

(3)氧化物因陶瓷特性,脆性较大,需要采用颗粒沉积+烧结的方式成膜,或在溶液共混条件下铸造成型。

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