利元亨研究院院長杜義賢：已交付全固態(tài)電池中試產(chǎn)線
“利元亨能夠提供半固態(tài)電池的批量生產(chǎn)線，全固態(tài)電池中試批量生產(chǎn)線也已經(jīng)開始交付頭部客戶。”在日前舉行的第十屆動力電池應(yīng)用國際峰會(CBIS2025)上，利元亨研究院院長杜義賢在主題演講中表示。
圖為利元亨研究院院長杜義賢作主題演講
從設(shè)備的角度來講，固態(tài)電池產(chǎn)線并非是對液態(tài)電池產(chǎn)線的完全顛覆。杜義賢指出，對于全固態(tài)電池的生產(chǎn)線，在前段工序中干法和濕法都可以選擇，不是說全固態(tài)電池一定要用干法，而且現(xiàn)實來看這兩種技術(shù)路線是并行的，并且濕法路線目前占比還會更高一些。
那么，在固態(tài)電池的生產(chǎn)過程當(dāng)中，到底涉及哪些與液態(tài)電池不一樣的地方?杜義賢總結(jié)，固態(tài)電池與液態(tài)電池的制造工藝區(qū)別，主要體現(xiàn)在高壓致密化工藝、電極與電解質(zhì)復(fù)合工藝、防短路絕緣封裝工藝、疊片工藝以及高壓化成工藝等幾個方面。
01
固態(tài)電池設(shè)備技術(shù)需求
圍繞固態(tài)電池的制造流程，杜義賢闡釋了各環(huán)節(jié)對設(shè)備的技術(shù)需求。行業(yè)周知，電極工藝可以分為干法和濕法，是在制片工序的最前段。杜義賢指出，濕法工藝的優(yōu)勢是技術(shù)比較成熟穩(wěn)定、一致性好，但占地和能耗成本比較高，對環(huán)境污染性比較大。
干法工藝的優(yōu)勢是生產(chǎn)線簡單，能夠做到極致降本，環(huán)境也很友好，不會產(chǎn)生有毒的溶劑，而且制作的壓實密度也很高。但它的挑戰(zhàn)是技術(shù)還不成熟，良率比較低，電極一致性和持久性還待驗證，同時粘結(jié)劑的選擇非常受限制。
電極做完之后，接下來的環(huán)節(jié)，就是電極和電解質(zhì)之間的復(fù)合，有壓制轉(zhuǎn)印和電解質(zhì)涂覆兩種工藝。杜義賢介紹，壓制轉(zhuǎn)印是目前用得比較多的工藝，就是把電解質(zhì)做成膜，覆在基體上再成卷，在復(fù)合時把成卷的電解質(zhì)先加熱，用壓力輥壓到極片上。
壓制轉(zhuǎn)印工藝的優(yōu)勢，是能夠擁有獨立的優(yōu)化空間，也能避免溶劑之間相互干擾。但該工藝比較復(fù)雜，因為電解質(zhì)膜和電極片是分開制造，所以界面阻抗、電解質(zhì)成膜時的機械與化學(xué)性能的匹配性，都是很大的挑戰(zhàn)。
電解質(zhì)涂覆工藝，則可以在極片上直接涂上電解質(zhì)，其優(yōu)勢是工藝比較簡單，成本很低。但對漿料溶劑的要求比較高，干燥的工藝窗口比較低，如果控制不好，容易在干燥的地方產(chǎn)生裂痕。
“把電解質(zhì)和極片做完之后，下面再開始疊片，我們知道電池成型之后，是先高壓的，此時由于在電池的邊緣，容易產(chǎn)生正負(fù)極短路，所以就需要絕緣膠框。”杜義賢介紹，膠框有網(wǎng)板印刷、點膠、激光制痕涂膠三種制作工藝。
網(wǎng)板印刷，是將絕緣用的膠框的漿料放在網(wǎng)板上，網(wǎng)板是有膠框的形狀，把它涂在或者刮在極片上。這種方式比較成熟，速度很快，成本很低，成型效果很好，膜厚均勻性好。但挑戰(zhàn)是要充分理解漿料和電池片的化學(xué)反應(yīng)，同時網(wǎng)板是耗材，需要維護(hù)和更換。
點膠，是在極片的周圍用噴膠的方式，或者點膠的方式點一圈膠框，優(yōu)勢是靈活性很高，能噴任何形狀，電池要換型號也很快就能適應(yīng)，材料浪費也少。但是該工藝難以適應(yīng)大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率很低，而且在噴的過程當(dāng)中，沒有任何膠型，所以尺寸控制精度比較差，對膠水的性能要求也非常苛刻。
激光制痕涂膠，是先在極片上用激光畫一個溝槽圈，再把膠涂到溝槽里進(jìn)行UV燈照，或者用熱量來固化。這種工藝的精度高，與極片的接合力好，形狀一致性也好。但它的設(shè)備和工藝成本很高，刻痕的時候都是用超快激光，而且工藝很復(fù)雜。
“我們認(rèn)為在批量不大的時候，推薦用網(wǎng)板印刷這種方式，現(xiàn)在頭部的客戶也在跟我們對接，如果再更大批量可以把膠框先做好，做到基材上跟電解質(zhì)一樣，直接印到極片上，就跟印刷一樣就非常快。”杜義賢建議。
膠框做完之后就可以進(jìn)行疊片，與液態(tài)電池相比，固態(tài)電池的疊片對齊度精度要求更高。這需要從四個方面著手解決：
第一，極片檢測實時反饋，至少精度要控制在±0.02毫米以內(nèi)。第二，在視覺引導(dǎo)下糾偏平臺的自動補償精度要高，而且仿真對齊度的Cpk要高。第三，糾偏平臺的重復(fù)精度要高，運動精準(zhǔn)性要高。第四，整個疊片機要全面做振動測試，通過高精度視覺檢測實時糾偏，配合技術(shù)保證疊片精度控制在±0.1毫米以內(nèi)。
疊片做完電池之后就要開始進(jìn)行高壓致密化，工藝包括等靜壓和多級輥壓。等靜壓要求達(dá)到600兆帕的壓力，難度很大;多級輥壓則不需要等靜壓。
“我們認(rèn)為多級輥壓和溫等靜壓并不是二選一的模式，而是協(xié)同配合的關(guān)系。初級致密化可以用多級輥壓，終級致密化的時候采用等靜壓。”杜義賢指出，這種組合方式是為了解決固固耦合界面的問題，可以在一定程度上降低對等靜壓要達(dá)到600兆帕大壓力的要求。
在最后的高壓化成階段，固態(tài)電池的工藝挑戰(zhàn)比較大，杜義賢指出，這主要是因為層板壓力要大于10兆帕，折換成壓力來講要超過80噸;現(xiàn)在的液態(tài)電池的壓力則在3-10兆帕。“而且層板之間的壓力均勻度要達(dá)到2.5%，溫度精度要控制在兩度以內(nèi)，這都是很苛刻的要求。”
02
固態(tài)電池生產(chǎn)的安全防護(hù)
在固態(tài)電池的制造過程中，對環(huán)境的安全要求也非常高。杜義賢重點提及了硫化物生產(chǎn)過程中人員安全的防護(hù)。他指出，硫化物在空氣中穩(wěn)定性很差，遇水就產(chǎn)生硫化氫，這種有毒氣體會對人體造成很大危害。
因此，利元亨制定了一整套硫化物固態(tài)電池產(chǎn)線防毒和防爆的設(shè)計規(guī)范，并與客戶一起進(jìn)行演練，以保證生產(chǎn)過程當(dāng)中對人員的安全。利元亨的安全防護(hù)分為三重，第一重是設(shè)備內(nèi)部的管道布局，任何一個地方的硫化氫都能夠及時排出去;第二重是做好設(shè)備的密閉性，每個設(shè)備的外罩都要經(jīng)過測試;第三重是整個生產(chǎn)環(huán)境絕對密閉。
“我們要對設(shè)備分區(qū)進(jìn)行評估，會拿著硫化物電解質(zhì)來進(jìn)行測試，測試硫化氫的釋放速率，根據(jù)速率來計算濃度和排風(fēng)量。在這個基礎(chǔ)上進(jìn)行劃分等級。”杜義賢闡釋，此外還有工藝流程密閉化設(shè)計，以及機電軟控性能安全設(shè)計，都是從本質(zhì)上要規(guī)避安全問題。總體來講，人、機、料、法、環(huán)、測六個方面，對安全一個都不能放松。
據(jù)介紹，利元亨已經(jīng)建有1300平米的固態(tài)電池潔凈室，干燥室的露點也能夠達(dá)到-55℃，主要包含電極干法混料和干法涂布、絕緣膠框印刷和疊片、銅鋰復(fù)合、負(fù)極純鋰金屬激光切割和鋰合金金屬切割、鋰金屬片損傷測試等五個方面的工作。
“我們也跟我們的客戶共建了12個聯(lián)合實驗室，實驗項數(shù)超過了1600個，包含了運控、激光、視覺、超聲波、電源等多個領(lǐng)域。利元亨非常開放，愿意跟大家一起推動全固態(tài)電池的行業(yè)發(fā)展。”杜義賢表示。
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