一、前言

　　比鋰離子電池更具潛力？固態(tài)電池要如何量產(chǎn)。目前來看，鋰離子電池 (LIB) 是被廣泛使用并且有希望成為未來應(yīng)用的可再生資源的能量?jī)?chǔ)存，也是最佳選擇。盡管如此，鋰離子電池仍然受到原材料利用率、安全性和容量限制等影響。

　　如圖1a所示，目前的鋰離子電池（LIB）由兩個(gè)多孔電極（陽極和陰極）和隔膜組成。電極是有由活性物質(zhì)、粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑組成的，涂敷在銅或鋁集流體上。鋰離子在電極內(nèi)的傳輸需要液態(tài)電解質(zhì)，它主要由非質(zhì)子有機(jī)溶劑和離子導(dǎo)電鹽組成。當(dāng)前LIB面臨的許多問題都與這種液體電解質(zhì)有關(guān)。事實(shí)上，安全性問題是由溶劑的可燃性引起的，溶劑和導(dǎo)電鹽的副反應(yīng)導(dǎo)致容量衰減和老化。在電池生產(chǎn)過程中，繁瑣的電解液注入和潤濕過程以及普遍的化成過程導(dǎo)致了高成本。

圖1 常規(guī)鋰離子電池和全固態(tài)鋰電池在電極元件、電池層和電池組水平的比較，以及增加能量密度的可能性

　　相比之下，全固態(tài)電池(ASSB)，由于沒有電解液有機(jī)成分，不僅本征上安全，而且具備大幅提升能量密度的潛力。全固態(tài)電池使用固體電解質(zhì)代替浸有液體電解質(zhì)的多孔隔膜，固體電解質(zhì)可同時(shí)作為電子絕緣體和離子導(dǎo)體，如圖1b所示。

　　采用一種緊實(shí)的固體電解質(zhì)可作為鋰枝晶的物理屏障，電池也能夠使用鋰金屬作為陽極材料。因此，與使用傳統(tǒng)陽極材料（例如石墨）的鋰離子電池相比，體積能量密度可增加達(dá)70%。另外，一些固體電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性高，有利于高容量（例如，硫）或高壓（例如，LiNi0.5Mn1.5O4，LNMO）陰極的應(yīng)用，這也增加了電池級(jí)水平的能量密度。

　　與液體浸泡的LIB不同，全固態(tài)電池需要復(fù)合電極，其中還需要包含固體電解質(zhì)成分以形成電極內(nèi)的離子通道。在傳統(tǒng)鋰離子電池中，液體電解質(zhì)連通電池的所有組件，這形成了電芯內(nèi)的并連結(jié)構(gòu)（圖 1 c）。相反，在全固態(tài)電池中，電解液被限制在電極元件內(nèi)。因此，全固態(tài)電池有利于采用雙極板堆疊組裝，通過鋰離子隔離層在電池內(nèi)形成串聯(lián)。這可以增加電池單元的電壓，減少電池堆中集流體的數(shù)量，并可優(yōu)化外包裝設(shè)計(jì)（圖1d）。最后，由于沒有可燃的有機(jī)溶劑組分，全固態(tài)電池不需要冷卻系統(tǒng)，如圖1e和f所示。而且，電池發(fā)熱溫升還會(huì)增加離子電導(dǎo)率，反而促進(jìn)電池性能提升。

　　與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，上述優(yōu)點(diǎn)使全固態(tài)電池在電動(dòng)汽車和靜態(tài)儲(chǔ)能應(yīng)用方面具有很好的應(yīng)用前景。但是，全固態(tài)電池在市場(chǎng)化應(yīng)用的過程中，必須實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。目前，粉末壓制方法被廣泛用于制備致密的固體電解質(zhì)圓片。這些厚度達(dá)1 mm的小圓片與陰極和陽極層貼合并施加壓力壓縮在一起，以確保良好的機(jī)械接觸。然而，在許多情況下，實(shí)驗(yàn)室制備方法不可能直接轉(zhuǎn)移到大批量的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)工藝中。相比之下，聚合物鋰電池已經(jīng)以與傳統(tǒng)鋰離子電池生產(chǎn)相似的方式成功實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)。對(duì)于全固態(tài)電池，只有少量的文獻(xiàn)真正報(bào)道了用規(guī)?；纳a(chǎn)工藝制造大型組件的嘗試，如濕涂層（wet coating）、絲網(wǎng)印刷（screen printi）和流延tape casting等技術(shù)。

　　對(duì)全固態(tài)電池當(dāng)前問題進(jìn)行了綜述，從產(chǎn)品開發(fā)的角度對(duì)面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了詳細(xì)研究。提高材料的生產(chǎn)規(guī)模與減少非活性組件的體積和質(zhì)量以獲得令人滿意的能量密度，開發(fā)可大規(guī)?；纳a(chǎn)工藝，將成為全固態(tài)電池工業(yè)生產(chǎn)中下一步的重點(diǎn)。因此，本文從生產(chǎn)工程的角度，調(diào)研了全固態(tài)電池可能的生產(chǎn)場(chǎng)景所面臨的多方面挑戰(zhàn)，為ASSB大規(guī)模商業(yè)化鋪平道路。

　　本文在研究了工業(yè)批量生產(chǎn)的要求和特點(diǎn)后，通過專家研討會(huì)的方式，簡(jiǎn)要概述了全固態(tài)電池大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)方法。隨后，介紹了硫化物和氧化物基全固態(tài)電池在不同的生產(chǎn)場(chǎng)景和工藝鏈下的制造方法。詳細(xì)研究了從常規(guī)電池產(chǎn)品到硫化物基全固態(tài)電池制造工藝所需做的變更。最后，本文總結(jié)了各利益相關(guān)方提出的建議，如化學(xué)原料廠商、部件供應(yīng)商、設(shè)備廠商、電池生產(chǎn)商和產(chǎn)品代工廠 (OEMs)。

二、全固態(tài)電池規(guī)?；a(chǎn)的要求與挑戰(zhàn)

　　隨著電動(dòng)汽車電池組的成本穩(wěn)步下降，馬上就要接近目標(biāo)值（150 美元/千瓦）時(shí)，全固態(tài)電池應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)是高質(zhì)量電池的制造，同時(shí)成本與傳統(tǒng)鋰離子電池相當(dāng)。因此，這需要高度自動(dòng)化的可規(guī)模化生產(chǎn)過程。生產(chǎn)需要穩(wěn)定的工藝和必要的質(zhì)量監(jiān)控，以確保較低的不合格率，并將報(bào)廢率降至最低。這意味著，自動(dòng)化制造和質(zhì)量控制面臨的可能挑戰(zhàn)，需要在工程設(shè)計(jì)階段就同步考慮，以解決問題。

　　首先，產(chǎn)品的要求和性能需要在大規(guī)模生產(chǎn)條件下來確定，這包括所用材料的物理和化學(xué)性質(zhì)，如顆粒的機(jī)械性能、與濕空氣和氧氣的反應(yīng)性、毒性等。而且，各組件的形狀及其公差在制造中具有重要意義，即涂層厚度、涂層密度、厚度變化都需要考慮在內(nèi)。對(duì)于高速且連續(xù)的工藝，如輥壓工藝，應(yīng)盡可能設(shè)定產(chǎn)品規(guī)格目標(biāo)。膠粘劑的粘接性、彎曲剛度、彈性和塑性在電極復(fù)合材料的制造和加工中也起著重要的作用，這些因素也必須考慮。由于對(duì)生產(chǎn)成本影響大，還需要考慮生產(chǎn)環(huán)境的影響。最后，因?yàn)榉杀O(jiān)管和生態(tài)保護(hù)要求，環(huán)境污染問題也需要考慮。

2.1.產(chǎn)品要求

　　為了滿足2025 年電動(dòng)汽車應(yīng)用需求的目標(biāo)，電池需要達(dá)到800 Wh/h的能量密度和 300 Wh/kg以上的比能量。對(duì)滿足這些目標(biāo)所需的固體電解質(zhì)、陽極和陰極的涂層厚度和成分進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算。

　　為了提高能量和功率密度，隔膜層應(yīng)該盡可能薄。而在實(shí)驗(yàn)室中，一般厚 (> 100 μm) 的固體電解質(zhì)圓片與活性材料組合裝成電池，但是，工業(yè)生產(chǎn)與大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的應(yīng)用不同，對(duì)于高比能ASSB，希望薄的隔膜層 (< 30 μm)，這樣與傳統(tǒng) LIB相比才具有競(jìng)爭(zhēng)性。然而，電解質(zhì)中裂紋、缺陷、甚至晶界都會(huì)導(dǎo)致鋰枝晶生長(zhǎng)問題，因此，電解質(zhì)又需要一定的厚度，以確保電池安全性和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命，這也與活性顆粒的粒徑有關(guān)。

　　與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，只有當(dāng)使用鋰金屬陽極時(shí)，全固態(tài)電池水平上的能量密度和比能量才有望增加。通常，為了實(shí)現(xiàn)具有競(jìng)爭(zhēng)力的體積和重量能量密度，所使用的鋰箔厚度建議為10μm–30μm。然而，鋰箔的價(jià)格隨著厚度的減小而上漲，到目前為止，只有少數(shù)制造商能夠生產(chǎn)厚度低于50μm的鋰箔材。如果采用石墨或LTO等常規(guī)LIB負(fù)極材料時(shí)，則全固態(tài)電池也需要采用包含電解質(zhì)成分的復(fù)合負(fù)極。為了保證快速充電和放電的高功率，這種復(fù)合電極（陽極和陰極）必須具備離子和電子導(dǎo)通路徑，這又需要精心設(shè)計(jì)這種包含活性材料、固體電解質(zhì)、粘合劑和導(dǎo)電劑的復(fù)合電極。特別是，考慮到固體電解質(zhì)的密度比液體電解質(zhì)的密度大，電池質(zhì)量能量密度受復(fù)合電極中固體電解質(zhì)材料的選擇和含量的影響大。與傳統(tǒng)的多孔電極相反，全固態(tài)電池將電極的孔隙率壓縮到幾乎為零，有利于獲得高功率和高能量密度。從電池循環(huán)過程中的機(jī)械穩(wěn)定性和壽命來看，電極又需要一定的彈性，這又要通過較高的孔隙率或較大的粘合劑含量來實(shí)現(xiàn)。

　　圖2是兩種不同概念設(shè)計(jì)的電池單元，其中，第一種情況（圖2a）是正極支撐的ASSB，其中正極復(fù)合電極提供機(jī)械穩(wěn)定性，不同的層彼此連接在一起。第二種情況（圖2b）是一種三層結(jié)構(gòu)的固體電解質(zhì)，類似于固體氧化物燃料電池，其中致密的隔離層夾在兩個(gè)多孔固體電解質(zhì)層之間，形成類似于支架的基體，鋰金屬負(fù)極和正極材料滲透到電解質(zhì)的孔隙中。此時(shí)，對(duì)固體電解質(zhì)材料和界面的要求和性能將在下面章節(jié)討論。

圖2  具備所需求層厚的高比能ASSBs的組成和可能的設(shè)計(jì)概念

　　例如，含有30 vol%固體電解質(zhì)組分的100μm厚的NMC811或NCA正極、20μm厚的固體電解質(zhì)層和30μm厚的鋰金屬負(fù)極所組成的全固態(tài)電池能量密度為1177 Wh/ l，硫化物基電池比能量為426 Wh/kg，石榴石基電池比能量為324 Wh/ kg[25]（電池級(jí)）。然而，電極孔隙率和外部加壓裝置會(huì)降低總能量密度。

2.2.固體電解質(zhì)材料

　　特別是在電動(dòng)汽車中應(yīng)用電池，對(duì)固體電解質(zhì)的要求總結(jié)如下：大溫度范圍的高離子電導(dǎo)率是實(shí)現(xiàn)快速充電和高功率的必要條件，而電子隔離是防止自放電和短路的關(guān)鍵。另外，電解液和電極之間的界面對(duì)離子轉(zhuǎn)移也很重要。因此，當(dāng)與陽極和陰極材料接觸時(shí)，需要一個(gè)大的電化學(xué)窗口來實(shí)現(xiàn)高壓并確保電解液的穩(wěn)定性。另一個(gè)重要因素是機(jī)械穩(wěn)定性，因?yàn)樵诔浞烹娀蛲獠空駝?dòng)過程中體積變化不能損害電池的性能。最后，制造性和成本也是兩個(gè)主要方面。

2.2.1.離子導(dǎo)電性

　　對(duì)于全固態(tài)電池的正常使用，電解質(zhì)在寬溫度范圍內(nèi)必須要高于10-4 s/cm的離子導(dǎo)電性。迄今為止，基于聚合物電解質(zhì)電池判斷，只有大尺寸的固體電解質(zhì)電池才可以商業(yè)化應(yīng)用。然而，它們?cè)谑覝叵碌牡蛯?dǎo)電性需要額外加熱或添加液態(tài)有機(jī)導(dǎo)電組分，這可能導(dǎo)致前面所述的優(yōu)點(diǎn)喪失。無機(jī)硫化物或氧化物電解液具有更高的電導(dǎo)率，有些甚至超過了傳統(tǒng)液體電解液。

　　到目前為止，固體電解質(zhì)的最高導(dǎo)電率是亞硫酸鹽電解質(zhì)，例如Li2S-P2S5（LSPS，1.7×10-2s/cm[36]）及其衍生物，Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3的導(dǎo)電率高達(dá)2.5×10-2s/cm。最有前景的氧化物固體電解質(zhì)材料包括磷酸鹽，如Li1.3Al0.3Ti1.7（PO4）3（LaTp），和石榴石，如Li7La3Zr2O12（LZO），Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12，其在室溫下的總電導(dǎo)率可達(dá)10-3s/cm。氧化物（例如，石榴石型Li6.4La3Zr2Al0.2O12）和聚合物結(jié)合形成高柔性離子導(dǎo)電膜，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2.5×10-4s/cm的導(dǎo)電性。

2.2.2.材料成本與供應(yīng)

　　盡管Li10GeP2S12（LGPS）等電解質(zhì)顯示出高導(dǎo)電性（高達(dá)1.2×10-2s/cm），考慮到大尺寸電池的大量生產(chǎn)，實(shí)際的高成本已經(jīng)限制了鍺基固體電解質(zhì)應(yīng)用。擴(kuò)大規(guī)模的另一個(gè)限制是市場(chǎng)上原材料和加工材料的供應(yīng)量有限，例如，像鑭這樣的材料可能也不太可能實(shí)際應(yīng)用。因此，材料規(guī)?；铣尚路椒ㄔ谌虘B(tài)電池的大規(guī)模生產(chǎn)中也發(fā)揮著重要作用。

2.2.3.環(huán)境

　　硫化物，如LSPS體系，在潮濕空氣中表現(xiàn)出高反應(yīng)活性，產(chǎn)生有毒的H2S。因此，產(chǎn)品代工廠需要詳細(xì)了解硫化物基固態(tài)電解質(zhì)的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，與傳統(tǒng)LIB的危險(xiǎn)（易燃性，HF形成）不同。盡管大多數(shù)氧化物在空氣中的反應(yīng)活性感覺較低，但當(dāng)與濕空氣接觸時(shí)，LLZO的性能會(huì)受到嚴(yán)重影響。因此，復(fù)合電極和隔膜層必須在干燥的環(huán)境中加工，甚至在惰性氣體環(huán)境（如氬）下加工。粘性和反應(yīng)性對(duì)加工設(shè)備、周圍環(huán)境和安全措施也有特殊要求。

2.2.4. 機(jī)械性能

　　詳細(xì)研究固態(tài)電解質(zhì)的力學(xué)性能。硫化物基固體電解質(zhì)是具有良好彈塑性的柔軟的顆粒，在壓力作用下形成了良好的接觸區(qū)域，但與聚合物和氧化物電解質(zhì)相比顯示出較低的斷裂韌性。氧化物基固體電解質(zhì)通常是非常堅(jiān)硬的顆粒，因此必須使用高溫處理脆硬層，以確保足夠的接觸面積并實(shí)現(xiàn)致密化。

2.3. 界面和電池設(shè)計(jì)

　　比鋰離子電池更具潛力？固態(tài)電池要如何量產(chǎn)。盡管一些固體電解質(zhì)具有高導(dǎo)電性，但固體電解質(zhì)與電極活性材料的界面接觸是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的浸有液體電解質(zhì)的LIB相比，固體電解質(zhì)和電極的接觸面積大大減小，從而導(dǎo)致界面的導(dǎo)電性受到限制。界面阻抗可以通過界面工程降低，例如原子層的沉積。

2.3.1. 負(fù)極界面

　　鋰離子在負(fù)極上的不均勻傳輸會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)晶界和氣孔處產(chǎn)生枝晶，這種現(xiàn)象發(fā)生在硫化物和氧化物電解質(zhì)中。此外，大多數(shù)固體電解質(zhì)與鋰金屬接觸時(shí)的電化學(xué)穩(wěn)定性是一個(gè)嚴(yán)重的問題。理論計(jì)算表明，大多數(shù)固體電解質(zhì)的熱力學(xué)穩(wěn)定窗口非常低，受反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的控制，一些會(huì)形成穩(wěn)定或亞穩(wěn)定的界面，而另一些會(huì)分解形成鈍化層或混合導(dǎo)電相。雖然高離子導(dǎo)電性的硫化物基電解質(zhì)表現(xiàn)出一個(gè)主要的優(yōu)勢(shì)，但其在陽極電位有限的電化學(xué)穩(wěn)定性是一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)。雖然石榴石型電解質(zhì)，如LLZO，似乎是最好的。但其他氧化物，如LATP，在與鋰陽極接觸時(shí)會(huì)減少，形成電子導(dǎo)電相，從而增加短路風(fēng)險(xiǎn)。一種可能的解決方案是添加聚合物保護(hù)層。

2.3.2. 正極界面

　　界面阻抗和電化學(xué)穩(wěn)定性在正極方面也有重要影響。硫化物固體電解質(zhì)具有韌性，能夠改善接觸面積。然而，大多數(shù)硫化物對(duì)正極電位不穩(wěn)定。一種可能的解決方案是電極的保護(hù)涂層，例如，通過在正極側(cè)添加聚合物層，或正極極顆粒涂敷氧化物涂層。

　　相比之下，氧化物基電解質(zhì)是非常堅(jiān)硬的顆粒，對(duì)遠(yuǎn)高于4V的正極電位也具有電化學(xué)穩(wěn)定性。然而，為了與正極活性材料充分接觸，可能需要燒結(jié)步驟，這可能導(dǎo)致不必要的降解或相間形成。為了保證全固態(tài)電池達(dá)到可接受壽命和循環(huán)穩(wěn)定性，電解質(zhì)與活性材料之間需要具有大接觸面積的穩(wěn)定界面。

2.3.3. 機(jī)械穩(wěn)定性

　　電池組件和界面的機(jī)械穩(wěn)定性對(duì)全固態(tài)電池的壽命提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在常規(guī)鋰離子電池中，多孔的活性/非活性復(fù)合材料能夠有效地承受電極的體積變化或外部振動(dòng)。然而，對(duì)于全固態(tài)電池，當(dāng)施加機(jī)械應(yīng)變時(shí)，比如鋰金屬負(fù)極和正極顆粒在充電和放電過程中的膨脹和收縮，全固態(tài)電池中的脆性和低孔隙率的介質(zhì)很容易受到損壞。

　　對(duì)于韌性的硫化物電解質(zhì)，在充放電過程中施加可變或固定的外部壓力有助于保持顆粒或電解質(zhì)層之間的接觸面積，從而改善離子和電子路徑。某些彈性低的電解質(zhì)材料，特別是氧化物電解質(zhì)，又可能不允許外部加壓。盡管負(fù)極側(cè)固體電解質(zhì)的孔隙率可以補(bǔ)償循環(huán)過程中金屬鋰的體積變化，但無液體的全固態(tài)電池中，正極側(cè)的界面接觸問題尚未完全解決，需要開發(fā)改進(jìn)的粘合劑體系或低應(yīng)變活性材料。然而，這些所有提出的解決方案對(duì)總的能量密度都有負(fù)面影響。

2.3.4. 電池設(shè)計(jì)

　　在電池尺度上，實(shí)際堆疊方式設(shè)計(jì)需要特別關(guān)注。為了達(dá)到所需的能量密度，電池中的非活性物質(zhì)的數(shù)量必須減至最小。如上文所述，雙極板堆疊在能量密度方面是有利的。然而，對(duì)于高能電池的雙極板設(shè)計(jì)，大家都知之甚少。例如一個(gè)對(duì)陽極和陰極電位都穩(wěn)定的雙極性集流體，電極匹配的平衡，外層和封裝之間的接觸問題。上述對(duì)大尺寸電池的挑戰(zhàn)和要求將需要重新思考傳統(tǒng)電池生產(chǎn)的制造步驟。一些現(xiàn)有的技術(shù)可能會(huì)適應(yīng)新的材料和部件，而另一些技術(shù)則需要有益的實(shí)施。

　　上面提到的大型全固態(tài)電池的要求和挑戰(zhàn)需要重新考慮傳統(tǒng)電池生產(chǎn)中已知的制造步驟。一些現(xiàn)有的技術(shù)可能適應(yīng)新的材料和部件，而另一些則需要加入一些新技術(shù)。

三、方法與科學(xué)程序

　　比鋰離子電池更具潛力？固態(tài)電池要如何量產(chǎn)。由于文獻(xiàn)中的信息有限，本文開展了基于大量專家專業(yè)知識(shí)的定性研究。因此，我們與來自先進(jìn)研究機(jī)構(gòu)，并在固態(tài)化學(xué)和 ASSB領(lǐng)域的 20 多名專家以及化學(xué)以及化工企業(yè)和兩家全球汽車制造商的研究部門舉辦了研討會(huì)。專家研討會(huì)由兩部分組成：開放式問卷和問卷結(jié)果形態(tài)分析。

3.1. 專家咨詢的準(zhǔn)備（問卷調(diào)查表制作）

　　開放式動(dòng)態(tài)問卷包括關(guān)于專家的個(gè)人背景，以及最有前景的材料和全固態(tài)電池當(dāng)前面臨問題等一般性問題。此外，還要求回答關(guān)于全固態(tài)電池生產(chǎn)和質(zhì)量控制的挑戰(zhàn)等問題。并且還要求專家首先設(shè)定一個(gè)ASSB電池體系（材料、組件、電池設(shè)計(jì)），然后在這個(gè)體系范圍內(nèi)回答問題，此外還調(diào)查專家的個(gè)人專長(zhǎng)。這些明確的電池體系作為后續(xù)形態(tài)學(xué)分析中工藝和參數(shù)選擇的基礎(chǔ)。

圖3  從鋰離子電池到全固態(tài)電池生產(chǎn)工藝

　　形態(tài)學(xué)分析的準(zhǔn)備工作如圖3所示，參照傳統(tǒng) LIB 軟包電池生產(chǎn)的工藝鏈 [69]，使用名詞-動(dòng)詞配對(duì)形式 描述工藝步驟[70] ，例如“組分混合”、“涂層壓實(shí)”。然后調(diào)整工藝過程以適合 ASSB 產(chǎn)品[70]，例如取消了電解液的注入工藝，增加了固體電解質(zhì)的制造。依次為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套供參考的工藝過程。在對(duì)可能的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行文獻(xiàn)綜述的基礎(chǔ)上，為每個(gè)工藝步驟設(shè)計(jì)出了一個(gè)可能的制備工藝框架。

　　表 1 列舉了 “固體電解質(zhì)制造工藝”的形態(tài)分析過程。分析表格由不同部分組成，分別涉及材料（如硫化物、氧化物等）、可能的生產(chǎn)技術(shù)（如流延、絲網(wǎng)印刷等）、生產(chǎn)環(huán)境（如惰性氣體、真空等）、危害等。表格中的每一列不一定相互關(guān)聯(lián)。專家選擇自己認(rèn)為最合適的條目。在工藝鏈的所有工藝步驟中，每個(gè)參數(shù)的置信度值在 0（不相關(guān)/不確定）和 3（非常相關(guān)/非常確定）之間，專家們?cè)u(píng)估選擇。

3.2 專家征詢的實(shí)施與評(píng)價(jià)

　　專家研討會(huì)先從個(gè)人的動(dòng)態(tài)問卷開始，每個(gè)人先定義最佳的電池體系。隨后，要求專家考慮不同材料組合的要求，設(shè)定合時(shí)的一系列工藝步驟，生成類似于圖3中所述的工藝過程。對(duì)于每個(gè)工藝步驟，專家根據(jù)相關(guān)性和置信度，填寫表格（如表1所示），選擇生產(chǎn)設(shè)備并分析生產(chǎn)工藝參數(shù)。

　　將生成的工藝鏈分為四類：固體電解質(zhì)隔膜、陽極、陰極和電芯制造。在每個(gè)分類中，不同的選項(xiàng)（例如，硫化物基固體電解質(zhì)）按工藝步驟分組。考慮到置信度，對(duì)每個(gè)工藝步驟的相應(yīng)形態(tài)學(xué)表格進(jìn)行了評(píng)價(jià)和總結(jié)，以比較專家的意見。此外，為了獲得關(guān)于生產(chǎn)過程中關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)形態(tài)分析表格中所有專家的相關(guān)性評(píng)估進(jìn)行了分析。形態(tài)分析產(chǎn)生的工藝鏈將在下一章中概述和討論，并與傳統(tǒng)電池生產(chǎn)進(jìn)行比較。

四、全固態(tài)電池生產(chǎn)工藝鏈

　　比鋰離子電池更具潛力？固態(tài)電池要如何量產(chǎn)。專家訪談產(chǎn)生了大量可能的生產(chǎn)工藝過程。然而，大多數(shù)工藝過程都具有相似性。因此，生產(chǎn)工藝被分成固體電解質(zhì)、陽極、陰極和電芯制造工藝四組。結(jié)合到專家們的置信度和個(gè)人背景知識(shí)，比較不同專家的意見。

4.1 固體電解質(zhì)

　　圖4展示了制造固體電解質(zhì)隔膜層的不同情況。各組分混合后，采用成形或涂層工藝形成均勻的隔膜層。根據(jù)電池設(shè)計(jì)，隔膜層可以直接應(yīng)用于其中一個(gè)電極上或著本身單獨(dú)制造。對(duì)于硬質(zhì)基板，可能需要預(yù)先進(jìn)行切割，以便分離隔膜層來應(yīng)用。在形成固體電解質(zhì)隔膜后，使用壓實(shí)工藝以確保高密度、低界面電阻和充分的機(jī)械接觸。額外的涂層或?qū)訅汗に嚳梢蕴砑泳酆衔锉Ｗo(hù)層，以抑制固體電解質(zhì)與負(fù)極的不良反應(yīng) [56]。根據(jù)所使用的固體電解質(zhì)，涂層也可以選擇應(yīng)用于負(fù)極，需要特別注意上文討論的大氣條件。電解質(zhì)隔膜制造過程是至關(guān)重要的，因?yàn)槊恳粋€(gè)缺陷都會(huì)導(dǎo)致電池的內(nèi)部短路。因此，電解質(zhì)薄膜應(yīng)用對(duì)潔凈度和環(huán)境以及設(shè)備和質(zhì)量控制提出了嚴(yán)格要求，剛性氧化物顆粒可能對(duì)設(shè)備的耐久性還有特殊要求。

圖4 固態(tài)電解質(zhì)隔膜生產(chǎn)工藝鏈

　　在下文中，電解質(zhì)產(chǎn)品將按照三種不同的制造途徑進(jìn)行分類：濕化學(xué)加工、高粘度加工和基于粉末的加工。所有情況可能需要的不同溫度處理下的預(yù)先研磨工藝以達(dá)到預(yù)期顆粒形狀和粒度分布。

4.1.1. 濕化學(xué)工藝

4.1.1.1. 組分混合

　　對(duì)于濕化學(xué)工藝，固體電解質(zhì)顆粒用溶劑分散以獲得目標(biāo)粘度。根據(jù)固體電解質(zhì)隔膜的設(shè)計(jì)，加入粘結(jié)劑和造孔劑。需要高強(qiáng)度混合器（或?qū)ο蛐D(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)）來達(dá)到粉碎顆粒團(tuán)聚物所需的剪切速率。大多數(shù)硫化物不能用極性溶劑處理，因此，需要非極性溶劑，如庚烷或二甲苯。例如，描述制備 LLZO 的漿液工藝。硬質(zhì)氧化顆?？赡軐?dǎo)致處理過程中工具磨損增加。如果使用有毒溶劑，必須特別注意大氣和安全措施。

4.1.1.2. 成膜

　　在漿料制備之后，通過成形或涂覆過程制備薄膜層，例如流延或絲網(wǎng)印刷。因此，使用擠壓模頭或逗號(hào)刀輥以確定涂層厚度將漿料涂敷到一個(gè)電極或犧牲聚合物基板上，或通過網(wǎng)孔直接印刷到基板上。需要注意的是，如果薄層直接涂覆在復(fù)合電極上，則需要使用不同的粘合劑體系：固體電解質(zhì)的溶劑不能溶解電極的粘合劑或與電極材料發(fā)生反應(yīng)。涂層后，溶劑在干燥系統(tǒng)中直接蒸發(fā)。最近的公開資料表明，對(duì)于硫化物和氧化物，可以獲得與傳統(tǒng)電池隔膜相當(dāng)?shù)暮穸龋?0–30μm）。流延法也可用于制備上述三層電解質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖3b）。

　　這時(shí)，使用兩種不同的固體電解質(zhì)，其中一種含有造孔材料。澆鑄方法是在正極側(cè)用含造孔劑的電解質(zhì)漿料形成一層混合物，隨后干燥處理。接著，在第一層上面澆鑄第二層混合物（不含造孔劑）并干燥，形成薄層。最后，再次使用含造孔劑的漿料在負(fù)極側(cè)制備第三層。由于外側(cè)多孔結(jié)構(gòu)的支撐，氧化物固體電解質(zhì)可獲得10μm的致密隔膜層。

　　濕化學(xué)涂敷工藝的優(yōu)點(diǎn)是加工工藝的相對(duì)簡(jiǎn)單，如鋰離子電池和陶瓷層的制備一樣具有適應(yīng)性，以及較高的生產(chǎn)能力。但是，缺點(diǎn)是需要后續(xù)的壓實(shí)步驟，以確保隔膜層在基底上的致密度和附著力。

4.1.1.3. 薄層壓實(shí)

　　隨后的壓實(shí)工藝在很大程度上取決于固體電解質(zhì)和所使用的基底。壓實(shí)可以通過施加壓力（例如壓實(shí)或壓制）或溫度處理（例如燒結(jié)）來進(jìn)行。在壓實(shí)過程中，薄層通過一對(duì)旋轉(zhuǎn)輥進(jìn)給，以使膜變薄并提高該層對(duì)下層的粘附力。壓延輥也可以加熱以獲得更好的性能。如對(duì)于硫化物基固體電解質(zhì)，在室溫下壓力超過360MPa已被證明足以制造致密的隔膜層，但在200℃左右的高溫下處理能獲得電導(dǎo)率和密度更高的隔膜層。

　　由于氧化物固體電解質(zhì)顆粒的剛性，機(jī)械壓制不足以獲得令人滿意的密度和導(dǎo)電性，盡管添加離子導(dǎo)電聚合物粘合劑以形成氧化物-聚合物混合隔膜層有助于機(jī)械壓制，但其離子導(dǎo)電性仍然相當(dāng)差。輥壓工藝的優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)有鋰離子電池的成熟技術(shù)和高產(chǎn)量。面臨的挑戰(zhàn)是將孔隙度降低到0%并導(dǎo)致材料中的內(nèi)應(yīng)力。

　　為了保證高質(zhì)量的固體電解質(zhì)隔離層，一些固體電解質(zhì)材料還需要一步燒結(jié)工藝。此時(shí)，顆粒在高溫下被壓實(shí)，有機(jī)粘合劑或造孔劑被蒸發(fā)。對(duì)于三層結(jié)構(gòu)的電解質(zhì)基體，在燒結(jié)過程中，含造孔劑將的外層形成多孔的固體電解質(zhì)基體，而中間層形成致密結(jié)構(gòu)，充當(dāng)傳導(dǎo)離子的隔離膜。在電極制造過程中，電解質(zhì)外層將被正、負(fù)極填充滿。燒結(jié)工藝的優(yōu)點(diǎn)是可以將顆粒壓實(shí)到非常致密。

　　但是，燒結(jié)溫度需要高達(dá)1140°C以獲得在室溫下總離子電導(dǎo)率大于10-3s/cm的致密石榴石層。由于能源需求增加，這些高溫不僅意味著高生產(chǎn)成本，而且還必須補(bǔ)償高溫下固體電解質(zhì)中元素鋰的損失，例如在燒結(jié)過程中補(bǔ)給多余的鋰鹽。研究者們努力降低燒結(jié)溫度，例如通過添加Al2O3或L3BO3，或者通過輔助燒結(jié)技術(shù)減少燒結(jié)時(shí)間。同時(shí)還需要特別注意使用的坩堝和熔爐，以減少不必要的污染。

4.1.2. 高粘度加工

4.1.2.1. 組分混合

　　為了減少或消除溶劑，可以使用復(fù)合工藝制備高粘度混合物，該復(fù)合工藝通常來自聚合物加工工業(yè)，并已用于聚合物電解質(zhì)。固體電解質(zhì)和聚合物粘合劑在高溫下被分散成高粘度的糊狀物。該工藝使無溶劑化成為可能，因此具備成本優(yōu)勢(shì)（無溶劑的回收和再循環(huán)）。此外，溶劑殘留物也不會(huì)在體系中出現(xiàn)，避免了可能與鋰發(fā)生的反應(yīng)。盡管如此，少量溶劑可用于擠壓加工硫化物電解質(zhì)粉末，從而生產(chǎn)無粘合劑的硫化物基電解質(zhì)層。

4.1.2.1. 成膜與壓實(shí)

　　利用擠出工藝從高粘度混合物中形成薄膜。用螺桿擠出機(jī)將糊狀物壓過一個(gè)狹縫。在擠出之后，可以直接通過紫外線照射誘導(dǎo)處理，以形成聚合物鏈。固態(tài)電解質(zhì)膜還可以和其中一個(gè)電極共擠出，所得到的膜層直接壓合到電極上。

　　該工藝的優(yōu)點(diǎn)是無溶劑處理、低孔隙率和形成柔性膜。與濕涂層技術(shù)相比，該工藝的缺點(diǎn)是生產(chǎn)能力有限。雖然壓延工藝有利于改善機(jī)械接觸，但通過高粘度擠壓獲得的低孔隙率足以形成致密的聚合物氧化膜。但是，對(duì)于硫化物粉末，如果不添加聚合物，則還是需要在高溫下壓延。

4.1.3. 粉末加工工藝

4.1.3.1. 組分混合

　　對(duì)于純粉末加工，采用干磨工藝制備粉末顆粒。實(shí)驗(yàn)室主要是球磨工藝。

4.1.3.2. 成膜和壓實(shí)

　　該工藝可以應(yīng)用不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，例如氣相沉積、噴涂或氣溶膠沉積。氣相沉積工藝，如濺射工藝，能夠制造厚度小于5μm的高質(zhì)量層，也不需要高溫?zé)Y(jié)步驟。該工藝雖然已經(jīng)為薄膜全固態(tài)電池廣泛應(yīng)用，但在粗糙的電極表面上沉積可能具有挑戰(zhàn)性，還需要考慮電極基體的熱穩(wěn)定性，例如在薄膜沉積或退火過程中需要加熱基板。

　　此外，由于低沉積速率和在薄層制備過程中可能需要真空條件，能否擴(kuò)展到大尺寸和高產(chǎn)量是關(guān)鍵。為了獲得更高的沉積速率，固體電解質(zhì)顆?？梢圆捎脟娡炕驓馊苣z沉積工藝直接沉積在基體表面。此時(shí)，顆粒通過載氣流被轉(zhuǎn)移到基板上。氣體速度對(duì)沉積層的質(zhì)量起著決定性的作用——需要優(yōu)化最佳的參數(shù)來確保固體電解質(zhì)和基體表面的化學(xué)穩(wěn)定性和顆粒致密度。氣溶膠沉積提供了在高沉積速率下形成致密層的可能性。然而，這項(xiàng)技術(shù)還很不成熟[91]，而且，所制備的固體電解質(zhì)層并沒有令人滿意的導(dǎo)電性。

4.2 負(fù)極

　　如圖5所示，鋰金屬制備負(fù)極主要有三種方案。由于鋰是一種非常不穩(wěn)定的金屬，因此對(duì)輥對(duì)輥加工工藝以及搬運(yùn)工具提出了特殊的挑戰(zhàn)。此外，鋰必須在干燥大氣中處理，否則與環(huán)境濕空氣接觸時(shí)會(huì)氧化。安全預(yù)防措施，如防火，是必要的。其他負(fù)極，如石墨或LTO，制造工藝如下文中描述的正極制造工藝相似。

圖5  鋰金屬負(fù)極制造工藝鏈

4.2.1 箔材加工

4.2.1.1 成膜

　　第一種情況是使用鋰金屬箔作為負(fù)極。此時(shí)，第一個(gè)挑戰(zhàn)是獲得所需厚度和質(zhì)量的鋰箔。如果市場(chǎng)上可以獲得所需厚度，從外部供應(yīng)商處購買箔材是一個(gè)可行的選擇，盡管市場(chǎng)價(jià)格隨著箔材厚度的降低而迅速上漲。現(xiàn)場(chǎng)擠壓和處理有利于降低鋰箔表面不需要的氧化層的風(fēng)險(xiǎn)，并能立即進(jìn)行后續(xù)處理。鋰箔可以層壓在基帶上，以便于加工。

4.2.1.2 薄層壓實(shí)

　　擠壓加工之后進(jìn)行壓實(shí)工藝，以實(shí)現(xiàn)薄而均勻的鋰箔。由于金屬鋰具有很強(qiáng)的粘合性，因此需要采用無損傷的壓延步驟。

4.2.1.3. 薄層連結(jié)

　　所得鋰箔可壓合到集流體（例如銅箔）上或直接壓合在固體電解質(zhì)隔膜上。聚合保護(hù)層可以涂敷在鋰箔上，以減少與固體電解質(zhì)的不必要副反應(yīng)，并在充電期間允許鋰離子均勻傳輸。由于大多數(shù)聚合物在低溫下的導(dǎo)電性很差，這些聚合物層的厚度不能太厚。

4.2.2. 熔化加工

　　第二種方案描述通過熔融處理制備金屬鋰電極，例如與聚合物基箔[96]或固體電解質(zhì)基材結(jié)合。鋰沉積在無孔電解質(zhì)上，或滲透到多孔電解質(zhì)結(jié)構(gòu)中，例如，在稍高的溫度（約180°C）下通過熔融注入。在添加熔融鋰之前，可以使用親鋰涂層或表面處理來增強(qiáng)電解液的潤濕性。由于液態(tài)鋰的高反應(yīng)性，需要特別注意周圍的大氣。由于不同的溫度要求，熔融鋰注入過程在陰極過濾和壓實(shí)后進(jìn)行。

4.2.3. 氣相處理工藝

　　作為薄膜電池的常用材料，鋰也可以通過真空沉積的方法沉積在集流體或固體電解質(zhì)層上。真空氣相沉積是應(yīng)用最為廣泛的一種方法[88]，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以精確地沉積出高質(zhì)量的薄膜，而加工環(huán)境要求高和有限的生產(chǎn)能力是缺點(diǎn)。

4.2.4. 電鍍

　　另一種完全不同的情況是將鋰直接電鍍到集流體上，這種方法已成功地應(yīng)用于薄膜型全固態(tài)電池。此時(shí)，電池組裝后的第一次充電循環(huán)中，來自正極的鋰沉積在負(fù)極集流體上。但是，大尺寸的固態(tài)電池還沒有這樣的工藝，這個(gè)方法可以避免在生產(chǎn)過程中處理復(fù)雜性的金屬鋰。然而，必須考慮到負(fù)極側(cè)產(chǎn)生的體積變化和大尺寸電池鋰沉積的均勻性。

4.3. 正極復(fù)合電極

4.3.1 濕法化學(xué)工藝

　　在第一步中，各組分混合并用溶劑分散。溶劑的選擇取決于與陰極活性材料、固體電解質(zhì)材料和粘合劑的相容性。ITO等人描述了一種與亞硫酸鹽復(fù)合的陰極材料的配方。最近的一些文獻(xiàn)研究粘合劑和溶劑的影響和增加活性物質(zhì)含量。對(duì)陰極和固體電解質(zhì)顆粒進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理可以改善機(jī)械接觸，從而顯著提高電池性能。對(duì)于氧化物固體電解質(zhì)陰極復(fù)合材料，Ohta等人提出了對(duì)于剛性基材，如燒結(jié)的固體電解質(zhì)基體結(jié)構(gòu)，建議采用綠色印刷工藝涂敷陰極漿料。

　　與傳統(tǒng)鋰離子電池不同，電極希望達(dá)到0%的孔隙率，這面臨一些挑戰(zhàn)，比如內(nèi)應(yīng)力，甚至陰極粒子的破碎。加熱壓實(shí)是一種解決方案，例如770MPa的冷壓形成6-8%的孔隙率，而150°C下460MPa的熱壓形成了很小孔隙率。

　　燒結(jié)可用于制備具有氧化物電解質(zhì)基的剛性陰極。然而，燒結(jié)溫度是至關(guān)重要的，因?yàn)殛帢O活性材料，如NMC，在高溫下處理時(shí)容易分解或形成絕緣相。

4.3.2. 高粘度加工

　　高粘度混合后，陰極復(fù)合材料通過狹縫加熱和擠壓形成薄層，類似于固體電解質(zhì)隔膜制造所述的擠壓工藝。如果陰極復(fù)合材料和固體電解質(zhì)隔離層的兩種混合物都?jí)哼^同一狹縫，則該程序也可用于共擠壓制備陰極復(fù)合材料和固體電解質(zhì)復(fù)合層。

4.4. 電池組裝

　　與傳統(tǒng)電池生產(chǎn)相比，全固態(tài)電池不需要電解液注入工藝，可能不再需要耗時(shí)耗力的化成過程。如果固體電解質(zhì)層在裁切前與一個(gè)或兩個(gè)電極連接，可能出現(xiàn)短路風(fēng)險(xiǎn)、隔膜層上電極顆粒的交叉污染。

　　對(duì)于柔性薄膜和軟材料，使用分切、沖壓，確定電極或電解質(zhì)的最終形狀，問題是粘合劑（例如鋰、硫化物電解質(zhì)）不易切斷，和剛性材料（例如氧化物電解質(zhì)）的磨損等。使用陶瓷刀片可能比較好。

　　如果考慮成形的靈活性和刀具磨損，應(yīng)首選激光切割工藝。該工藝特別適用于非常硬或易碎的薄板，如燒結(jié)氧化物層。

　　與傳統(tǒng)電池（卷繞工藝非常普遍）生產(chǎn)相比，由于靜電作用和固體電解質(zhì)板的高彎曲剛度，疊片是全固態(tài)電池最可行的選擇。

　　到目前為止，大的全固態(tài)電池都是手工疊片組裝的，例如，對(duì)于豐田汽車公司提供的雙極板堆疊14.4V原型電池，四組陰極、硫化物固體電解質(zhì)和石墨陽極層組合而成，或用于ITO提供的常規(guī)疊片設(shè)計(jì)的1Ah硫化物軟包電池等。

　　疊片后可能需要對(duì)電池進(jìn)行層壓或加熱，以確保各層充分接觸。加熱也可用于去除粘合劑殘余物，以提高電池性能。全固態(tài)電池的最終封裝設(shè)計(jì)對(duì)于集流體或外部接頭的焊接以及封裝過程起著重要的作用。對(duì)于雙極板堆疊電池，只需要將外部電極與電池電極接觸。尤其是當(dāng)與未加工的鋰金屬結(jié)合時(shí)，需要對(duì)凸出極耳的焊接進(jìn)行研究。網(wǎng)格集流體的使用有待進(jìn)一步研究。由于在充放電過程中ASSB的體積膨脹，在循環(huán)過程中需要特別注意壓力束縛。

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