自20世紀(jì)90年代以來，鋰離子電池已發(fā)展成為最成熟、應(yīng)用最廣泛的電池技術(shù)路線。隨著市場對(duì)電池能量密度、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面要求的日益提升，傳統(tǒng)鋰離子電池已逐漸不能滿足需求。采用固體電極和固態(tài)電解質(zhì)且具備更高能量密度和安全性的“固態(tài)電池”便應(yīng)運(yùn)而生。 ? 固態(tài)電池有多方面優(yōu)勢，比如固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)和密度可以聚集更多帶電離子、傳導(dǎo)更大電流，而且可以采用金屬鋰等材料做負(fù)極，以提升單位體積的電池容量和續(xù)航能力；固態(tài)電解質(zhì)的封存相對(duì)簡便，能夠節(jié)省成本，減輕電池體積，更加輕便；固態(tài)電解質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以減小電池在高溫下的化學(xué)反應(yīng)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)，電池性能更穩(wěn)定。 ? 傳統(tǒng)鋰離子電池包括正極、負(fù)極、電解液、隔膜四大組成部分，固態(tài)電池將電解液換成固態(tài)電解質(zhì)。固態(tài)電池較之傳統(tǒng)鋰離子電池，關(guān)鍵區(qū)別在于電解質(zhì)由液體變?yōu)楣腆w，兼顧安全性、高能量密度等性能。 ?

資料來源：科研云平臺(tái)

對(duì)于固態(tài)電池，其生產(chǎn)工藝需要在電極、電解質(zhì)、界面工程及封裝技術(shù)等方面進(jìn)行突破，生產(chǎn)工藝性的優(yōu)化提升是實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池工程化和商用應(yīng)用的重要組成部分。與傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池相比，固態(tài)電池的前段工序基本與液態(tài)鋰離子電池相同，中、后段工序上，固態(tài)電池需要加壓或者燒結(jié)，不需要注液化成。 ?

傳統(tǒng)液態(tài)軟包鋰電池生產(chǎn)工藝

（資料來源：科研云平臺(tái)）

固態(tài)電池可以分為聚合物固態(tài)電池、硫化物固態(tài)電池、氧化物固態(tài)電池及薄膜固態(tài)電池等不同的電池體系。整個(gè)固態(tài)電池的生產(chǎn)流程中，電解質(zhì)成膜工藝是關(guān)鍵工藝。不同的工藝會(huì)影響固體電解質(zhì)膜的厚度和離子電導(dǎo)率，固體電解質(zhì)膜過厚會(huì)降低全固態(tài)電池的質(zhì)量能量密度和體積能量密度，同時(shí)也會(huì)提高電池的內(nèi)阻。相反，固體電解質(zhì)膜過薄機(jī)械性能會(huì)變差，有可能引起短路。通過幾十年的研究，在材料開發(fā)方面，不同類型的固態(tài)電解質(zhì)（聚合物、氧化物、硫化物等）已經(jīng)能夠被成功地合成制備出來。 電解質(zhì)成膜工藝作為固態(tài)電池的核心工藝，可分為干法工藝與濕法工藝兩大類。除干法與濕法兩種工藝外，還可以通過化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、電化學(xué)氣相沉積和真空濺射的氣相法制備固體電解質(zhì)膜。但是氣相方法的制備成本較高，只適用于薄膜固態(tài)電池。

固態(tài)電池干法/濕法生產(chǎn)工藝比較

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聚合物固態(tài)電池

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對(duì)于聚合物固態(tài)電池制備，均使用涂布的方法制備復(fù)合聚合物固體電解質(zhì)正極層和聚合物固體電解質(zhì)中間層，層壓為聚合物固態(tài)電池。電極片與現(xiàn)有的液態(tài)電池制備方式類似，兼容現(xiàn)有產(chǎn)線。 以亞琛工業(yè)大學(xué)研究機(jī)構(gòu)PEM的聚合物固態(tài)電池制備工藝為例，正極和固態(tài)電池電解質(zhì)材料的制備平行進(jìn)行，通過高溫熔化和返混擠出的過程形成正極和電解質(zhì)漿料。兩種漿料通過一起擠出的方式，分別疊加在正極集流體材料上。之后，再將金屬鋰壓制成漿料后涂布在電解質(zhì)材料的表面，形成集流體-正極材料-固態(tài)電解質(zhì)-鋰負(fù)極的混合多層電芯。最后，通過輥壓法，把多層電芯壓實(shí)。

聚合物固態(tài)電池電極、電解質(zhì)制備

（資料來源：科研云平臺(tái)）

將制備好的電芯裁剪成固定尺寸，依照不同需求，將電芯依照串并聯(lián)的方式疊放在一起。之后，對(duì)疊放好的電芯進(jìn)行壓實(shí)和封裝，經(jīng)過化成和老化工序，制作完成。然后，對(duì)電池進(jìn)行測試和評(píng)級(jí)。

聚合物固態(tài)電池制備流程

（資料來源：科研云平臺(tái)）

對(duì)于聚合物固態(tài)電池生產(chǎn)工藝，其特點(diǎn)在于，通過干法和濕法工藝均可制備復(fù)合固態(tài)正極和聚合物電解質(zhì)層，電池組裝通過電極與電解質(zhì)間的卷對(duì)卷復(fù)合實(shí)現(xiàn)；干法和濕法都非常成熟，都易于制備大電芯；易于制備出雙極內(nèi)串電芯。但是聚合物固態(tài)電池制備工藝也存在一定問題，例如成膜均一性難以控制；難以兼容高電壓正極材料，導(dǎo)致能量密度不高；受醚類聚合物電解質(zhì)材料限制，電池往往在高溫下才能工作等。

硫化物固態(tài)電池

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硫化物固態(tài)電池干法工藝

（資料來源：科研云平臺(tái)）

對(duì)于硫化物固態(tài)電池干法工藝，其技術(shù)優(yōu)勢包括節(jié)省去溶劑工藝制備成本及節(jié)約制備周期；無其他物質(zhì)（溶劑）對(duì)電解質(zhì)的影響；干法電池性能更穩(wěn)定。但硫化物固態(tài)電池干法工藝也存在技術(shù)劣勢，如制備大容量電池困難；電解質(zhì)層厚度較厚，阻抗較高；粉末壓實(shí)需要較高平壓壓強(qiáng)（10t/cm2）等。

氧化物固態(tài)電池

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對(duì)于氧化物固態(tài)電池制備，以德國RWTH PEM制備工藝為例。電池正極和固態(tài)電池電解質(zhì)材料的制備通過球磨的方式分別進(jìn)行；使用高頻濺射法，將固態(tài)電池濺射到正極材料表面；將復(fù)合好的正極-電解質(zhì)材料進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)；通過電子束蒸發(fā)法將負(fù)極分布到電解質(zhì)材料上。

氧化物固態(tài)電池制備流程

（資料來源：科研云平臺(tái)）

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薄膜固態(tài)電池

? 以日本ULVAC的LIPON薄膜全固態(tài)電池為例，其LIPON非晶氧化物固態(tài)電解質(zhì)，1992年由美國橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室通過射頻磁控濺射Li3PO4靶材制備。正極集流體、正極、LIPON、負(fù)極集流體、金屬鋰負(fù)極、外包裝保護(hù)層均通過真空鍍膜技術(shù)制備。

LIPON薄膜全固態(tài)電池結(jié)構(gòu)及制備流程 （資料來源：科研云平臺(tái)）

LIPON薄膜全固態(tài)電池量產(chǎn)工藝及改進(jìn) （資料來源：科研云平臺(tái)）

小結(jié)

當(dāng)前固態(tài)電池已成為各國角逐的熱點(diǎn)技術(shù)，固態(tài)電池所使用的固體電解質(zhì)本身需要相對(duì)復(fù)雜的合成或處理工藝，固體電解質(zhì)自身的性質(zhì)及其和電極的理化相容性不但影響著電池材料體系在科學(xué)角度的構(gòu)建，也影響著其工程化進(jìn)程。固態(tài)電池未來需要繼續(xù)提升電極和電解質(zhì)材料的綜合性能，設(shè)計(jì)新型集流體/電極/電解質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，發(fā)展新型制造工藝和裝備，逐步推進(jìn)電池制造技術(shù)的提升。

編輯：黃飛

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