利元亨研究院院長杜義賢：已實現(xiàn)固態(tài)電池量產(chǎn)工藝全線覆蓋
“固態(tài)電池和eVTOL完美契合，其性能優(yōu)勢主要表現(xiàn)在能量密度高、安全性好，而且在功率密度、快充、倍率方面也都表現(xiàn)很好。2030年后固態(tài)電池有望率先在eVTOL上放量，eVTOL的飛行半徑將得到大幅度提升。”在日前舉行的電動航空及下一代電池技術(shù)(CIBF2025深圳)交流會上，利元亨研究院院長杜義賢在主旨演講中表示。
圖為利元亨研究院院長杜義賢主旨演講
全固態(tài)電池沒有隔膜也沒有電解液，用固態(tài)電解質(zhì)膜代替隔膜，且正負極摻混固態(tài)電解質(zhì)，所以需要用大拘束壓力改善固固界面，力學(xué)性能要改變，同時改變電化學(xué)性能。杜義賢表示，這對現(xiàn)有鋰電設(shè)備提出了不少挑戰(zhàn)，同時也帶來了設(shè)備技術(shù)革新、市場開拓的機遇。
從生產(chǎn)工藝來看，全固態(tài)電池和液態(tài)電池工藝有很多不同，但極片制造段干法和濕法兩種工藝都可以選擇。干法的優(yōu)勢是環(huán)保、占地小、能耗少，但成膜性、壓延性、制成片后的力學(xué)性能較差。“不過從我們接觸的給客戶提供的服務(wù)來看，在目前全固態(tài)電池比較穩(wěn)妥的仍然是使用濕法工藝做極片。”杜義賢說。
利元亨既能夠提供干法設(shè)備，也能夠提供濕法設(shè)備。他指出，因為全固態(tài)電池沒有了隔膜，加壓的時候正負極之間有短路風(fēng)險，所以利元亨增加了膠框印刷工藝，這也是利元亨的一大重要創(chuàng)新。“加壓仍然可以采用等靜壓等設(shè)備，后面程序和液態(tài)電池不一樣的是，還有高壓化成分容，但加的壓力會比較大。”利元亨都給出了切實的解決方案。
01
固態(tài)電池制造設(shè)備的最大瓶頸
固固界面，是目前全固態(tài)電池生產(chǎn)中面臨的最大挑戰(zhàn)。杜義賢指出，“從全固態(tài)電池的材料組成來看，因為固固材料界面的結(jié)合，導(dǎo)致界面離子傳輸?shù)睦щy，也使離子電導(dǎo)率不高。這成為設(shè)備開發(fā)制造的瓶頸，也是最難的需要解決的問題。”
界面問題主要涉及以下幾方面：一是材料致密化，比如極片制片時、電解質(zhì)制備時材料內(nèi)部的致密化。二是不同材料層之間的界面結(jié)合性，比如電解質(zhì)和電極之間的界面問題，這也涉及制造工藝包含電解質(zhì)轉(zhuǎn)印、疊片、電芯等靜壓、高壓化成等環(huán)節(jié)。三是高壓下正負極不短路的封裝。
“我們現(xiàn)在解決界面問題主要是靠高壓，帶來的負面問題是正負極會短路，解決方案就是在正負極之間加一個膠框。”杜義賢表示，“我們進行的測試，像電極或者電解質(zhì)的孔隙率如果壓縮在5%以內(nèi)，界面接觸電阻顯著降低，但是以現(xiàn)在的濕法做出來的孔隙率大概是25-35%，遠大于這個數(shù)字，所以等靜壓或者輥壓非常有必要。”
02
四大關(guān)鍵工藝和設(shè)備
為解決界面問題，利元亨總結(jié)出四個關(guān)鍵的制造工藝：高壓致密化工藝、電解質(zhì)和極片復(fù)合工藝、封裝工藝、高壓化成。對應(yīng)四種設(shè)備分別是：電極干法涂布機、輥壓熱復(fù)合一體機、極片膠框印刷和疊片一體機、高壓化成分容設(shè)備。
高壓致密化工藝主要有干法電極壓延工藝、多級輥壓工藝、等靜壓工藝。等靜壓的設(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。而且因為等靜壓的設(shè)備壓力一般達到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)時有作用，但是當(dāng)大批量生產(chǎn)時等靜壓產(chǎn)生的問題就會凸顯。在杜義賢看來，等靜壓的工藝要改，不能是現(xiàn)在離散式的方式，離散式地一籠一籠往里放再抽出來，這種方式不適合大規(guī)模的連續(xù)化生產(chǎn)。“所以干法電極和多級輥壓，似乎也是一種很好的解決方案，”他說。
利元亨推出的干法電極設(shè)備和行業(yè)主流有點不一樣，“我們做的是四輥方式，即大輥壓小輥。”杜義賢介紹，大輥是用來保持平面度，壓的均衡性;小輥保持壓力，能夠?qū)崿F(xiàn)更嚴(yán)格的公差控制，也能將材料減薄到極小的厚度。特別是采用了定量的進料方式，能夠讓膜壓的厚度控制得更好。
對于輥壓熱復(fù)合雙軋一體機，利元亨現(xiàn)在采用的工藝是將電解質(zhì)膜先涂在離型膜上，再把它轉(zhuǎn)印到負極上。這種方式采用的電解質(zhì)壓制轉(zhuǎn)印能夠?qū)①|(zhì)量分段控制，而不是將電解質(zhì)正負極融合起來。不過，利元亨會將極片輥壓和電解質(zhì)復(fù)合集成在一起，因為它有很好的相似性，適合硫化物、鹵化物、氧化物和聚合物電池的生產(chǎn)。
“我們做的突破性的工作就是，推出極片膠框印刷和疊片一體機。”據(jù)杜義賢介紹，為了解決負極的短路問題，利元亨提出了四種方案：印刷、UV打印、涂膠、點膠。UV打印不太適合大批量生產(chǎn)，涂膠和點膠精度控制不高。膠框印刷方式性能表現(xiàn)最好，產(chǎn)能也比較高。利元亨第二代極片膠框印刷，以及疊片機采用高通量的印刷技術(shù)，集成了膠框印刷和疊片為一體，減少了占地面積。
固態(tài)電池的高壓化成分容設(shè)備，和常規(guī)電池不同的是壓力變大，其一般拘束壓力要達到60-80t，也就是單個電芯壓強要達到10Mpa以上。所以核心的問題是壓力非常大，結(jié)構(gòu)件安全性要求非常高;另外層板之間的壓力均勻性要好。針對固態(tài)電池生產(chǎn)的安全防護，利元亨共設(shè)計了130多項軟硬件上的保護功能。
03
全面的固態(tài)電池解決方案
截至目前，利元亨已經(jīng)建有完備的固態(tài)電池裝備實驗室，共有1300平米的潔凈車間，其中干燥室露點能夠達到-55℃，實驗室能夠提供電極干法涂布、極片膠框印刷、固態(tài)電池疊片、鋰金屬片激光切割、鋰銅覆合等方面的測試服務(wù)。
值得注意的是，硫化物是固態(tài)電池的重要技術(shù)方向，許多企業(yè)都在布局。杜義賢指出，目前硫化物固態(tài)電池有兩個主要的工藝問題，一方面就是大壓力，要在10Mpa壓力的狀態(tài)下才能很好地發(fā)揮作用;另一方面是防毒，這個責(zé)任重大，需要從化學(xué)體系和材料、電池、設(shè)備企業(yè)一起共同解決問題。
作為全球領(lǐng)先的新能源裝備龍頭企業(yè)，利元亨目前已經(jīng)實現(xiàn)了固態(tài)電池量產(chǎn)工藝全線覆蓋，能提供半固態(tài)電池的批量生產(chǎn)設(shè)備，以及全固態(tài)電池的中試線設(shè)備。“我們給國內(nèi)一個頭部企業(yè)(設(shè)計生產(chǎn)的)全固態(tài)電池中試線，已經(jīng)開始交付，產(chǎn)能是每年100MW。”杜義賢透露說。
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