作为全球领先的锂电装备企业,利元亨能够满足氧化物、聚合物半固态电池批量生产的设备需求,同时也能满足硫化物、卤化物全固态电池整线生产设备需求。公司的半固态电池设备已经批量出货,全固态电池设备也整线中标,得到了客户的认可。
图为广东利元亨智能装备股份有限公司研究院院长杜义贤演讲
在日前举行的第九届动力电池应用国际峰会(CBIS2024)“先进电池技术及应用”主题论坛上,广东利元亨智能装备股份有限公司研究院院长杜义贤应邀出席,并作主题为《固态电池工艺解析及整线装备》的演讲。
“液态锂电池与半固、全固态电池的核心区别在于,有没有隔膜和电解液。”杜义贤谈道,固液混合半固态电池仍然保留隔膜,在隔膜涂覆固态电解质层,正极掺混固态电解质,电解液用量降低;凝胶半固态电池也保留隔膜,增加原位固化工艺,即将电解液凝胶化,降低液相组分。
而全固态电池则完全没有隔膜,用固态电解质膜代替隔膜,且正负极掺混固态电解质,需要用大拘束压力改善固固界面。这对制造设备提出了很高的要求。
01
固态电池核心设备
“从工艺上来说,全固态电池极片制造既可以采用干法,也可以采用湿法。”杜义贤指出,将固态电解质复合到负极进行制片,再与正极进行无隔膜叠片,由于极片与电解质的固固接触存在孔隙导致离子导电率不高,需要采用大压力致密化,提升接触性能降低界面电阻。
目前,利元亨重点布局的固态电池设备,有电极干法涂布设备、辊压热复合双轧一体机、极片胶框印刷&叠片一体机,以及高压化成分容设备。“特别是对于硫化物电池来说,对生产车间的环境要求更高,不仅要更严格的低管控,设备还要增加防毒和防爆设计。”杜义贤强调。
干法电极设备:干电极的制造步骤可分为干混(混合+纤维化+造粒)、电极膜制造(成膜+减薄)、压制电极(电极膜与集流体复合);相比较湿法电极工艺,可减少11.5%的原材料溶剂成本,以及减少46%以上能源消耗,具备高经济性。
多辊压延和干式静电喷涂,是目前比较流行的两种干电极制造方案。据介绍,利元亨第三代干法电极设备采用高通量多辊压延方法,用大小辊配置实现更严格的公差控制,并将材料减薄至极小厚度;同时配合定量进料设计,能够适应所有不同化学体系固态电池的干法电极。
辊压热复合双轧一体机:该设备具备正负极辊压、电解质热压复合功能;将固态电解质压制转移到电极材料上,通过使用红外预热,固态电解质可以顺利地从PET基材上剥离下来。“目前行业也有两种方案,一个是先把电解质进行压制,然后再转移到极片上去;另外是将电解质直接涂布到极片上。”杜义贤介绍道。
因为现在的固态电池产业仍处于发展初期,所以利元亨第二代辊压热复合双轧一体机采用电解质压制转印技术,能够实现制造质量的分段控制;同时将极片辊压和电解质热复合功能集成一款机型,减少占地面积。
极片胶框印刷&叠片一体机:固态电池取消隔膜之后,且要求大压力化成,因此电池极片边缘变形,容易导致内短路问题。在制造过程中,需要绝缘框印在正极和负极之间。绝缘框的制造工艺比较多,现在流行四种方案,一是印刷,二是UV打印,三是涂胶,四是点胶。
利元亨第二代极片胶框印刷&叠片一体机,采用较高通量的印刷技术,集胶框打印和电极叠片功能于一体,不仅能减少占地面积,还能够兼容无隔膜层叠、无隔膜层叠外包隔膜两种叠片工艺。
高压化成分容设备:该设备主要是经过初始充放电过程,激活电极材料并稳定电池性能。常规电池化成压力要求3吨-10吨, 固态电池压力要达到10兆帕,折合压力达到60吨-80吨。
为了解决高压的需求,利元亨第三代化成设备采用卧式层推结构,在平板平面度、温度精度、压力控制、设定分辨率都有很好的表现。针对固态电池生产增加的安全防护设计,共计150项保护功能。
02
硫化物固态电池防毒防爆
硫化物固态电池含有有害物成分锂磷硫氯,暴露在环境中遇到水分子,易产生有毒气体硫化氢,会对人体产生伤害。
杜义贤介绍,针对硫化物固态电池产线的防毒防爆问题,利元亨提出了三个安全准则:一、提高工艺流程密闭化水平,是减少源泄漏和保证本质安全的关键;二、适当提高设备小环境密闭性、物料转移密闭性、管道机械密封等级,是减少逸散泄漏的重点;三、设置有毒气体检测安全仪表系统,是生产安全运行和人身安全健康基本保障和重要措施。
基于上述三个准则,利元亨在防毒防爆方面设计了三步法。第一步,对设备防爆分区进行评估。根据硫化氢产生的量,对设备进行分区。第二步,工艺流程密闭化设计,对设备的密封以及排风管道的布置都是有非常严格的要求。第三步,极电软控功能性安全设计。
03
推进固态电池量产进程
虽然行业对固态电池寄予厚望,不过杜义贤也指出,从整个行业来讲,全固态电池量产仍有两个工艺难点没有攻克。
首先,干法正极连续生产面临挑战。干混技术和粉末定量进料技术存在难题,降低了制造速度以及电极材料均匀分布。“现在工艺存在的问题成膜型差,很难形成一个很好成型的膜,更谈不上怎么卷起来运到下一个工艺区。电极材料的均匀性存在很大的问题。”杜义贤说道。
第二个难题就是等静压工艺。为了固固界面很好地结合,需要加大压力,但大压力对电池材料是一种极大的破坏。高达500Mpa等静压,会对电芯造成外观破损和内短路问题。另外,大压力对设备的安全性防护要求更高。
杜义贤表示,利元亨期待与行业伙伴及客户通力合作,共同推进固态电池量产化进程!
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