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远期看,全固态电池更多可能使用高镍、钴酸锂、富锂锰基等高电压正极材料;半固态多沿用现有三元材料。传统电解液的稳定电压窗口通常为 1.5-4.3V,当正极电压超过4.3V时,电解液会发生氧化分解,生成气体和界面膜,导致容量衰减。但固态电解质的稳定化学窗口可达 5V以上,能为高电压正极提供安全运行环境,让固态电池中高镍、钴酸锂、富锂锰基等高电压正极材料的应用成为可能。
无粘结剂的正极架构设计和固-固接触界面有效提升固态电池能量密度。固态电池采用冷压成型技术,将正极活性物质与固态电解质粉末直接压制成型,无需使用粘结剂,这种设计能够提高活性物质占比,使电池单位体积内可嵌入更多锂离子;同时固态电解质特有的固-固接触界面,抑制了高压条件下正极材料与电解质的副反应,避免了传统液态体系中常见的过渡金属溶出和晶格氧流失问题。这种双重优化使得单位体积内可存储的锂离子密度显著提高,进而突破了传统液态锂电池的能量密度天花板。
2、固态电池材料端有何升级?——负极材料
传统石墨负极的储锂能力已接近理论极限,而固态电池的核心突破在于启用更高容量的金属锂或硅基负极。在实际操作中,硅基负极比容量可达1500 mAh/g;目前锂金属实际比容量可达1000mAh/g。由于锂金属负极和硅基负极能容纳更多的锂离子,在相同体积或重量下,固态电池就能存储更多的电能,表现出更高的能量密度。目前产业多采用添加不同比例的硅以提升能量密度。
固态电池负极材料目前主要分为硅基负极、锂金属负极和复合/过渡负极三大技术路线。锂金属负极是固态电池产业终极目标,但目前该路线面临锂枝晶穿透固态电解质、界面接触失效等难题,并且超薄电解质膜的精密制造及界面稳定性控制工艺复杂 ;硅基负极是当前固态电池产业化主力,但其体积膨胀严重和电池界面稳定性差等问题使得固态电池循环寿命受限,目前需通过纳米化碳材料包覆、原子层沉积包覆等技术逐步改善;石墨、锡基合金等过渡材料是短期方案,虽然适配现有产线且工艺成熟,但其能量密度提升有限且存在合金材料循环稳定性差的问题。
3、固态电池生产流程有何变化
固态前道工艺可以采用干法或湿法。湿法与传统液态前道工序基本无异;干法电极为近年新兴技术,具有低成本、低能耗、高性能的优势。干法电极是在干燥状态下混合活性物质、导电剂与粘结剂,经干法涂布成形,后通过辊压复合至集流体表面;电解质膜亦可通过干/湿法制备,干法可通过辊压/熔融挤出/静电喷涂三种方式成膜,国内主要使用辊压为主,最后进行分条定型。
中段取消隔膜、注液工艺,新增胶框印刷、等静压。经辊压和分条完成定型后,在叠片前会增加胶框印刷环节,把树脂音刷到电极边缘形成回形框,在压力下起到支撑绝缘作用;随后,通过叠片堆叠极片与电解质层。在进入后道前,通常添加等静压环节以提升电解质与极片的致密性,优化界面接触。半固态则仍需保留隔膜结构、注液量较少仅需浸润。
后段工艺不变,改用大压力化成。部分全固态电池通过大压力化成设备对电芯施加高压,常规电池拘束压力要求3-10t,固态电池化成拘束压力一般要求60-80t(10Mpa压强/单个电芯);部分会使用预锂化技术。
相比传统液态锂电制作,固态电池的制造工艺变化主要集中在前、中道。由于固态电池材料易与水、空气等其它物质反应,整体、生产组装环节的密封性有不同程度提升。
Ø 前道环节:湿法制膜的设备差异较小;若引入干法工艺,则对应需新增干混机、干法涂布设备
Ø 中道环节:需要使用无隔膜叠片机替换传统叠片卷绕机械;新增胶框印刷机用于结构稳定;新增等静压设备用以增强电芯内组件界面之间的接触效果。
Ø 后道环节:低压化成被替换为高压化成,需配备高压化成分容机以激活固态电池性能。