固態電池
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固態電池介紹

在電池中,正離子通過離子導體在負極和正極之間移動,並傳遞電子以產生電流。 在傳統的鋰 離子電池的例子中,離子導體是一種高度易燃的液態有機化合物,這是一個明顯的缺點。 採用各種研發工藝合成各種化合物,尋找高性能固體導體代替液體導體。 研究人員發現了一種固態離子導體,其性能超過了傳統鋰離子導體。 例如:LGPS硫化物固體電解質(LGPS:鋰,鍺,磷,硫)

什麼是固態電池? 這種技術方法具有更高的安全性,更高的 能量密度和成本效益的更高潛力。 固態電池是消費電子和電動汽車電池技術的未來。 陰極、陽極、隔 膜和電解質 構成鋰離子電池。 液體電解質溶液用於液態電池(鋰離子電池),適用於智慧手機,電動工具和電動汽車。 另一方面,固態電池使用固體電解質,而不是傳統電池中使用的液體電解質。

電池中的電解質是一種導電化學混合物,允許電流在陽極和陰極之間通過。 分離器可避免短路。 固態電池是具有陽極,陰極和電解質的電化學電池,與任何其他電池非常相似。 電極和電解質是固體的,不像鉛酸電池。

市售的鋰離子電池具有一個隔膜,用於固定由液體電解質溶液隔開的陰極和陽極。 另一方面,固態電池使用固體電解質而不是液體電解質溶液,固體電解質也起到分離器的作用。 這些電池對於增加固態電動汽車電池的容量至關重要且非常需要。 它們是易燃的, 爆炸 的可能性可以忽略不計。 固態電池的一個例子是磷酸鋰玻璃。 這些電池的能量密度很高。

固態電池的能量容量大於具有液體電解質溶液的鋰離子電池的能量容量。 由於沒有爆炸或火災的機會,因此不需要安全元件,從而節省了空間。 與鋰離子電池相比,電池可以容納兩倍的能量,從而增加其功率。 由於只需要幾個電池,固態電池可以提高單位面積的能量密度。

固態電池技術

SSB主要關注以下特點:

更高的能量密度:

  • 成本更低:使用更便宜的材料和具有成本效益的工藝,並且由於高能量密度。
  • 更高的安全性:耐過充電,耐深度充電
  • 降低對稀缺材料的依賴性:減少地質依賴性,替代鋰,鈷等材料。
  • 降低對環境的影響:無有毒物質,無重金屬,無危險化學品,環保生產,材料易於處理或回收。
  • 其他:深度放電能力,快速充電或放電能力。

固態電解質是固態電池中的關鍵部件。 固態電解質材料主要有三種類型。

無機材料:無機結晶材料、無機無定形材料。 由於無機電解質具有高彈性模量,強熱/化學穩定性,大電化學視窗,高離子電導率和低電子電導率,這些電解質更適合於可以在惡劣環境中工作的剛性電池設計。

固體聚合物:例如:聚環氧乙烷。 雖然聚合物電解質具有低於無機固體電解質的離子電導率,但它們可以提供多種幾何形狀,高靈活性,並且需要低成本和簡化的生產加工。 當集成電池單元時,固體聚合物電解質可以很容易地產生有效的電極 – 電解質連接,這可以提高電池的電化學穩定性和循環壽命。 液體電解質用於傳統的鋰離子電池,它通常與電極良好接觸。

電極像海綿一樣吸收液體,這要歸功於它們的紋理表面,從而產生較大的接觸面積。 從理論上講,兩個固體不能無縫連接。 結果,電極和電解質之間的電阻很高。 固體電解質充當磷酸鹽電極的穩定載體介質,磷酸電極在兩面均絲網印刷。 與傳統的鋰離子電池不同,新型固態電池完全不含有毒或有害物質。

無機和高分子材料結合在一起,以獲得這兩種材料的優勢。 這些電解質表現出高離子電導率,並且相對靈活。

固體電解質的機械、電氣和化學性質,以及它們與陽極和陰極電極的介面/相位,對固態電池的效率有重大影響。

固態電池的基本問題,重點介紹三個基本現象:

(i) 生產先進離子導體的原則,

(ii)化學不穩定電解質 – 電極介面的結構進展,以及

(iii)加工固態電池的影響,包括電極和電解質結構。 固態電解質(SSE)不僅可以解決安全問題,還可以使用金屬陽極和高壓操作。

固態電池(SSB)是下一代電池的最佳解決方案之一,因為固體電解質具有更高的熱穩定性。 此外,無機固體電解質可能在極端溫度下起作用,例如在50至200°C甚至更高的溫度範圍內,其中有機電解質由於冷凍,煮沸或分解而失效。

為了在使用全固態電解質時達到預期的電化學輸出,考慮了四個獨特的特徵。 這些特徵包括:

( i )高離子電導率(+Li > 104 S/cm);

(ii)足夠的機械強度和很少的結構缺陷,以防止鋰枝晶滲透;

(三) 低成本原材料和易於製備的工藝;和

(iv) 鋰離子擴散的低活化能。

固態電池優勢

  • 結構簡單:固體電解質充當隔膜,防止陽極和陰極接觸,從而產生更高的能量密度,避免隔膜成本。
  • 高電壓:固體電解質的分解很高,這反過來又導致高能量密度。
  • 不易燃固體電解質。
  • 電解質具有阻燃性。
  • 沒有液體電解質洩漏的風險。
  • 可在更高的工作溫度下使用,從而實現更大的工作溫度範圍。
  • 可以在一個包裝中堆疊電池。
  • 簡單的電池結構和簡單的製造成本使固態電池具有成本效益。
  • 固態電池充電速度是液態電池的6倍。
  • 固態電池的使用壽命可持續長達10年。
固態電池

固態電池的缺點

  • 樹突是固態面病最嚴重的問題,除了成本。 枝晶是一種鋰金屬結晶,從陽極開始,可以擴散到整個電池。 當固體電解質中的離子與電子結合以產生固體鋰金屬片時,由於高電流充電和放電,就會發生這種情況。
  • 這些電池沒有廣泛用於消費電子產品和電動汽車,因為它們非常昂貴。 固態電池表現出較慢的動力學,原因在於:
  • 低離子電導率
  • 高介面電阻
  • 介面接觸不良

固態電池如何工作?

如前所述,固態電池使用固體電解質膜,具有固體正極和負極材料。 在充電或放電過程中,離子遷移到離子導電固體基質中,而不是溶解在溶液中的離子鹽,從而導致充電或放電反應的發生。 氧化還原反應用於在固態電池中儲存和分配能量。 陽極經歷氧化,而陰極經歷還原,電池可以根據需要利用這種現象來儲存(充電)和釋放(放電)能量。

在放電能量時,離子引起電池材料之間的化學反應,稱為”氧化還原”,其中氧化發生在陽極以產生具有自由電子的化合物,這些化合物提供電能,並且在陰極發生還原以產生獲得電子從而保持功率的化合物。 當電池充電時,該機制將反轉。 在放電固態電池(陰極)時,帶正電的離子通過電解質從負極(陽極)到正極(陰極)。 這導致正電荷在陰極中發展並吸收陽極中的電子。

然而,由於電子不能通過 電解質,它們必須通過電路傳播,為它所附著的任何東西提供動力,例如電動機。 在充電過程中,離子遷移到陽極,積累電荷,通過電路吸收陰極中的電子。 當沒有更多的離子可以流向負極時,假設電池完全充電。 固態電池在其層內需要不同的添加劑和粘合劑,以便在迴圈過程中保持高導電性。 材料還必須保持在壓力下,以便在充電和放電期間保持接觸。 在充電和放電循環期間,材料的正常膨脹和收縮增加了保持牢固觸感的難度。

如果隨著時間的推移,膨脹和收縮會削弱鍵,則電池的循環壽命和輸出可能會受到損害。 與鋰離子電池相比,固態電池還簡化了電池組級別,其中連接了單個電池。 固態電池不需要太多的熱控制,因為它們的效率隨著溫度的升高而提高。

整體充電和放電速率以及固體電解質的離子電導率隨著溫度的升高而增加。 因此,固態電池的最終工作溫度僅受鋰熔點(180°C)的限制。 此外,沒有易燃的鋰離子液體電解質消除了對災難性電池或電池組故障的設計擔憂。 鋰金屬基固態電池應用作鋰離子電池的替代品,因為與鋰(0.20 V)相比,典型鋰離子電池中使用的石墨陽極具有較低的電位,可提供更大的體積能量密度和等效的電壓和性能。

固態電池可用嗎?

心臟起搏器、RFID 和便攜式設備使用固態電池。 其中一些電池正在用於空間應用。 EV/HEV汽車市場固態電池的商業化途徑。 帶來固態電池不僅僅是開發合適的固態電解質,而是考慮以下功能:

  • 確保材料供應和銷售。
  • 電池和包裝製造設備及開發。

儘管經過多年的發展,許多參與者仍未成功將固態電池推向市場。 在室溫下,離子電解質通常比液體電解質低幾個數量級。 這是固態電池商業化的主要障礙之一。 雖然固態電池的概念已經存在了幾十年,但由於電子公司,汽車製造商和一般工業供應商的投資,現在才取得進展。

為什麼固態電池更好?

固態電池與充滿液體的電池相比具有多項優勢,包括更長的電池壽命,更快的充電時間和更流暢的體驗。 固態電池不是將電極懸浮在液體電解質中,而是將陽極,陰極和電解質壓縮成三個平坦的層。 因此,它們可以變得更小 – 或者至少強調仍然攜帶與較大的溶劑電池相同的能量。

因此,當手機或筆記型電腦具有具有相同容量的固態電池的鋰離子或鋰聚合物電池時,它將持續更長時間。 創建了一個攜帶相同電荷量但更小,更薄的系統。 固態電池,當用於為當前設備甚至電動汽車供電時,電池可以更快地充電,因為離子可以從陰極更快地傳播到陽極。 固態電池可以表現出各種可充電電池的容量為500%或更多,並在十分之一的時間內充電。 固態電池對環境的危害較小。

固態薄膜電池比傳統電池對環境的危害更小。 由於固態電池具有更高的性能和能量密度,因此它們不需要鋰離子電池那樣的冷卻和控制元件,從而減小了整體尺寸,提高了設備自由度,減輕了重量。

由於固態電池耐受由液體電解質中的化學物質引起的電極腐蝕或電解質中固體層的積聚縮短電池壽命,因此固態電池可以處理比鋰離子電池更多的放電和充電迴圈。 固態電池的充電量可能是鋰離子電池的七倍,使它們能夠使用十年,而不是鋰離子電池應該持續使用的幾年。 教育機構、電池製造商和材料專家都在研究固態電池可以轉化為下一代電源以廣泛使用。

固態電池充電速度更快嗎?

一些固體電解質的離子電導率大於5 mS/cm,並且是單離子導體。 在高電流下,這可以防止極化電阻在固體電解質中積聚。 因此, 快速充電 可能是可行的。 固態電池使用固體材料(通常是聚合物或陶瓷化合物)來代替鋰離子電池中的易燃液體電解質。 鋰金屬陽極已被引入作為傳統石墨或矽陽極的替代品。 這種開發固態鋰金屬電池的努力有可能使能量密度增加一倍,同時顯著減少充電時間。

固態電池是如何製造的?

在固態電池中,只有兩個主要層,陰極與固態陶瓷隔膜電接觸,取代聚合物隔膜,取代常規鋰離子電池中的多孔聚合物隔膜。 全固態電解質依賴於超離子導體和優化的介面。

開發良好的固態電解質的挑戰是克服介面,即必須同時傳輸正極,離子和電子的介面,三相邊界,這需要非常間歇的相位。 在介面處實現電子和離子同時傳輸和控制介面是一項挑戰。

正電解質的化學穩定性問題和電解質在碳存在下的氧化穩定性問題以及金屬離子樹突的問題需要結合受保護的介面。 固體電解質的離子電導率比液體電解質低幾個數量級。 優化電解質 – 電極介面處的電阻也很重要。

電池固體電解質面臨的挑戰:

具有高活性品質的厚複合正極:固態電解質的高離子電導率。 具有氧化物的穩定介面和低氧化還原活性,具有電子導電添加劑。

薄的低品質固體電解質膜應具有良好的機械性能,延展性和動態壓力控制。

所有 SSB 電解質均提供前所未有的高離子電導率和陽極與陰極之間出色的穩定性組合。 陽極的相容性是其中的關鍵,因為它在電池級別提供了比其他傳統鋰離子電池的主要優勢。

有三種主要的固體電解質:

聚合物電解質:聚合物電解質的優點是電池可加工性。 缺點是相對於金屬的穩定性相對較差,在特別低的溫度下導電性相對較差。

較低的離子電導率=較低的離子傳輸=更低的功率。

氧化物電解質: 它們具有理想的機械性能,非常堅硬,並且對金屬陽極具有化學穩定性。 主要缺點包括使用氧化物電解質腐蝕的速度低級能力,並且由於它們需要非常高的溫度而難以加工。 它們具有更高的熱穩定性,可忽略不計的電池加工性,對水分敏感,並且在導電性方面適中。 氧化物基電解質通常具有化學穩定性,可與高能正極材料一起使用。

然而,離子電導率低於硫化物基電解質。

含有鈣鈦礦的材料(LLTO:鋰鑭鈦氧化物)

石榴石結構(LLZO,鋰鑭鋯氧化物)以及NASICON(LAGP:鋰鋁鍺磷酸鹽)在氧化物基電解質中令人印象深刻。

硫化物電解質: 它們具有聚合物和氧化物之間的機械性能。 它們比任何電解質類別都更具導電性。 所有破紀錄的電解質都來自硫化物類材料。 它們具有更高的導電性,更高的電池加工性和更高的熱能力,但對水分敏感。 硫化物基電解質中的離子電導率通常較高,但它們在化學上更不穩定。

在室溫下,無定形鋰錫硫化磷(LSPS)具有非常高的離子電導率。 另一方面,與鋰金屬的不相容性是一個問題。

確定電解質的材料稱為添加劑。添加劑是在陰極和陽極表面上形成保護塗層的少量材料。它通過促進鋰離子在陰極和陽極之間的平滑通過來防止電池退化。

陰極和陽極添加劑是兩種類型的添加劑。陰極添加劑通過穩定陰極結構和保護表面來防止電池老化,從而消除過熱和過充電。陽極添加劑比溶劑溶解得更快,在陽極中形成強膜,延長其使用壽命,防止過熱並保持電池充電。添加劑通過延長其使用壽命,改善高溫問題和降低電阻,在整個系統中發揮重要作用。

隔膜是一種薄的絕緣膜,具有大約四個特徵,用於將陰極和陽極分開。 其次,顧名思義,隔膜保護陰極和陽極在電池內接觸。

其次,分離器具有肉眼不可見的亞微米級孔隙,並且孔隙充當鋰離子在陰極和陽極之間通過的通道。 由於分離器具有良好的機械穩定性,因此拉伸性能可防止副產物和異物進入,確保安全。 電化學穩定和高絕緣材料可用作隔膜。 隔膜應該避免陰極和陽極相互作用,如果它們干擾鋰離子或電池內的其他離子,則會導致重大問題。 隔膜應該能夠通過關閉孔隙並確保在電池溫度超過一定限度時防止離子移動來確保保護。

最後,SSB隔膜應足夠小,以允許將更多活性材料摻入電池中,從而增加能量密度。 為避免損壞並確保保護,它們還應具有高機械功率。

固體電解質要求

固態電池的商業化將需要具有特定性能組合的固體電解質。 要成為合適的液體電解質替代品,固體電解質必須具有大於0.1 mS / cm的鋰離子電導率。 電解質必須對鋰還原具有化學穩定性,或者必須形成鈍化反應層。 為了降低內部電池電阻,電解質需要形成低電阻介面。

在鹼金屬介面,其中氣氛反應的基底層,還原的氧化物和不均勻的潤濕都會導致實質性的介面電阻,產生低電阻介面增加了複雜性,電解質必須具有足夠的強度和斷裂韌性,以避免鋰絲通過電解質擴散。在陽極和陰極電位下,電解質必須穩定。

固體電解質形式

由於聚合物固體電解質具有低離子電導率,因此它們通常在較高溫度(60°C-80°C)下使用,以獲得更高的離子傳遞優勢。 雖然聚合物易於使用,但它們的機械性能不足以保持鋰金屬陽極的穩定性。

因此,無機固體電解質得到了最多的認可。 固體硫化物電解質的電導率是所有固體電解質中最強的。

雖然有許多化學物質,但Li2 S-P2 S5系統是最常用的。 在Li2 S-P2 S5框架中,電解質可以是玻璃狀,結晶性或部分結晶性。 未摻雜的Li2 S-P2 S5電解質與鋰的電化學穩定性較低,而摻雜版本具有更高的穩定性。 在室溫或低於400°C時,硫化物電解質的延展性使它們能夠壓縮成顆粒之間具有良好電化學橋接的壓實物。 因此,硫化物電解質是最容易處理的無機固體電解質。

然而,與空氣中的水蒸氣的反應性可能是某些硫化物電解質組合物的問題,釋放H2 S並降解電解質。 因此,它們通常在氬氣或低濕度乾燥室環境中加工。

氧化物基固體電解質是無機固體電解質的第二種形式。 有幾種不同的形式,但石榴石Li7 La3 Zr2 O12是最常見的。 在室溫下,固體氧化物電解質具有很強的離子電導率,最寬的電化學範圍,對鋰具有最大的化學穩定性。 此外,氧化物材料具有任何固體電解質中最高的彈性模量和斷裂韌性,使其成為鋰金屬陽極的物理穩定性和長期電池壽命的理想選擇。 儘管具有最佳的電化學性能混合物,但具有高離子電導率的緻密電解質需要1,000°C – 1,300°C的燒結溫度。

固體電解質中對枝晶或鋰絲形成的抵抗力往往與電流密度或總電池電流除以電解質橫截面區域有關。 因此,當鋰金屬穿透電池時,電池在臨界電流密度(CCD)下可能會失效。 在此臨界值下的電流密度下可以進行穩定充電。 在固體電解質兩側各有鋰電極的非對稱電池中鋰的恆流電鍍是標準的CCD檢查。

在製備LGPS硫化物固體電解質時,用中子束分析了材料的結構。 研究人員能夠觀察到固體導體分子結構內離子的線性運動。 隧道在其3D結構中觀察到。 在這個隧道內觀察到鋰離子的運動。 有了這個提示,研究人員能夠改進材料的離子電導率和穩定性,通過向LGPS中添加少量氯來開發兩種新材料。 這些材料展示了世界上最高的離子導體性能。

用材料設計衍射儀分析這些材料。 結果顯示了一種創新結構,允許離子在三維空間中移動,而不僅僅是一個維度。 這就是使材料具有最高性能的原因。 在已經開發的各種新一代電池中,這些材料成為用於所有SSB的強電解質。

與鋰離子電池相比,這些SSB具有略高的能量密度和更高的功率輸出。 因此,所有SSB的優點都設計為具有可以在短時間內充電的緊湊型高容量電池。 作為電解質材料專門研究和原子分析水平的產物,這些全新的全SSB可以產生新一代電池。

在鋰離子固態電池中,當電池充電時,鋰離開穿過無孔固態陶瓷隔膜的原子晶格。 一旦鋰真正分離,它就會沉積在分離器和電觸點之間,形成純金屬鋰的陽極。 對於鋰金屬陽極,與傳統鋰離子電池相比,固態電池的能量可以存儲在較小的能量體積中,從而實現更高的能量密度。 固態鋰金屬電池允許更大的範圍,從更高的能量密度到十五分鐘的快速充電和更安全的操作,通過消除有機聚合物隔膜。

高能鋰離子電池:

  • 使用高能材料
  • 富鎳NMC或NCA陰極與矽複合陽極結合使用時,可提供更高的重力和體積能量密度。
  • 預計製造成本將降低。
  • 只需要對生產過程進行微小的更改。

固態鋰電池

鋰硫電池:

  • 放電后,鋰在陰極與硫反應,形成硫化鋰。
  • 硫作為一種廣泛且具有成本效益的材料,可提供低成本的電池。
  • 週期和壽命的不確定性以及高溫敏感性繼續阻礙細分市場的增長。
  • 目前,體積能量密度對於汽車使用來說往往太差了。
固態電池充放電圖

鋰空氣電池:

  • 鋰在放電時在陰極側與氧氣氧化,產生過氧化鋰和氧化鋰。
  • 高能量密度和使用環境空氣在技術上是可行的。
  • 自行車穩定性的巨大障礙,這使得未來十年的汽車應用似乎不太可能。

所有固態硬碟總線的功能和設計

  • 離子滲透固體電解質充當分離器,並在全SSB的陰極和陽極之間提供空間和電分離
  • 有多種電池設計可供選擇。 薄膜電池如上圖所示。 復合陰極可用於創建更厚的層。
  • 當全SSB放電時,鋰離子從陽極通過固體電解質傳遞到陰極。 電源同時在外部負載處流動。
  • 陽極-電解質介面處的電阻是影響電池效率的關鍵因素。 可以使用外部板材,例如橡膠或鋁合金來減輕這種情況。
  • 由於強電解質,雙極堆疊是可能的。 因此,基本單元是連續連接的。

固態電池由什麼組成?

固態電池材料:

陽極:

由於其實現最大能量密度的理論潛力,鋰金屬陽極被認為是理想的。 另一方面,強電解質必須防止金屬鋰形成樹突。 此外,由於鋰與大氣中的氧氣形成被動層,因此需要在惰性氣氛下處理。

矽作為陽極材料提供非常高的能量密度,但是當它與鋰混合時,它會經歷很多體積變化。

陰極:

金屬氧化物用作陰極。 由於專門為所有SSB設計的材料要少得多,因此在大多數情況下使用現有的正極材料。

原則上,基於電解質,可以使用各種經過驗證的正極材料,從廉價和安全的材料,如磷酸鐵鋰(LFP)到鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)。 只有作為正極材料的氧化鋰(LCO)和作為電解質的LLZO在實踐中表現出足夠的穩定性和效率。

一種全固態電池的製造工藝

  • 電極和電解質處理、電池組裝和電池精加工是生產全SSB的三個主要步驟。
  • 沒有普遍正確的過程鏈;或者,可以使用大量可能的工藝鏈。 這些與鋰離子電池生產過程在幾個方面有所不同。
  • 該方法比較和對比兩種不同的工藝選擇,主要是在電極和電解質輸出方面。

電極和電解質

生產—-電池組裝——電池精加工

流程 A

流程 B

用無機固體電解質合成溝槽是兩種工藝選擇的主題。 對於全固態電池,袋裝電池格式往往是最合適的。

棱柱形或圓形電池:

由於全固態電池的固體元件,繞組面臨著重大挑戰。 易碎的陶瓷層可能會產生裂縫。 此外,適當的層粘附問題尚未解決。

袋裝電池:

全固態電池受益於堆疊,因為扁平層不會變形。 此外,在電極和電解質處理過程中產生層化合物,只留下鹼性電池在以後堆疊。

由於材料對大氣的反應性,製造過程需要乾燥室。 當使用金屬鋰時,建議使用惰性氣體,如氬氣。

對每個工藝階段在鋰離子電池開發中獲得的技能的適用性進行全面評估。

通過工藝A生產電極和電解液:

  • 陰極、電解質和陽極的化合物是在電極和電解質加工中形成的。
  • 在電極和電解質形成後存在基本電池。
  • 第一個工藝鏈(工藝鏈A)的關鍵特徵是連續的擠出工藝,其中層形成然後層壓。
  • 該工藝鏈特別適用於硫化物基全固態材料。

陰極和電解質生產(複合):

  • 生產方法
  • 兩種不同的配混行業利用陰極和電解質熔體。
  • 材料元件被送入雙螺桿擠出機的加熱機筒中,可以作為顆粒或粉末提供。
  • 擠出機的旋轉運動將能量傳遞到材料元件中。 因此,熔體是均勻的。
  • 降低陰極和電解質之間電阻的電解質顆粒以及粘合劑和添加劑與陰極活性成分混合在一起。
  • 電解質分子和聚合物粘合劑是電解質的兩種材料元素。

工藝參數和條件:

  • 要供應的單個材料的數量
  • 氣缸內的溫度和壓力
  • 擠出機的速率和壓力
  • 剪切力

質量特點:

  • 熔體的均勻性
  • 熔體的粘度
  • 合併規模和數量

技術替代方案:

  • 高性能混合設備

陰極和電解質生產(共擠):

  • 生產方法
  • 在適當的模具中,陰極和電解質熔體共擠。 這導致陰極和電解質層組合。
  • 單獨的通道為陰極供氣,電解質通過擠出模具熔化。
  • 熔體通過通道到達擠出模具的出口。 熔體使用槽模擠壓到電流導體上。

工藝參數及要求:

  • 調整層厚度
  • 熔體進料速率
  • 溫度
  • 壓力
  • 軋輥速度
  • 壓延輥的壓緊壓力

質量特點:

  • 塗層厚度
  • 圖層寬度
  • 層間附著力

技術替代方案:

  • 絲網印刷

箔鑄造

陽極生產(擠出和壓延):

  • 全SSB陽極可以由金屬鋰箔製成。 擠壓與隨後的日曆可用於製作這種鋰膜。
  • 為此目的,液鋰被倒入活塞擠出機的氣缸中。 然後,鋰被活塞擠壓到噴嘴中。
  • 擠出后的壓延可確保均勻性和光學膜厚度。 由於這個原因,薄膜在張力下由兩個輥子滾動,並施加潤滑劑。
  • 滾筒必須能夠與鋰的粘合性一起工作。 聚合物塗層的輥子,例如由聚縮醛製成的輥子,將實現這一目標。

工藝參數及要求:

  • 擠出速度
  • 溫度
  • 噴嘴幾何形狀
  • 日曆卷的壓制壓力
  • 潤滑劑的供應速度
  • 軋輥速度

質量特點:

  • 薄膜厚度
  • 箔寬度
  • 鋰箔的均勻性

技術替代方案:

  • 原子層沉積

PVD 工藝

層複合生產(層壓):

  • 鋰箔經過處理後層壓到陰極電解質複合材料上。 對於此任務,使用滾筒將兩層放置在一起。
  • 在下一階段,使用兩個滾筒將兩層強制在一起。 為了獲得更大的粘合力,這些被加熱。 聚合物在加熱和壓制過程中從一層滲透到下一層,在陽極和電解質之間形成連接。
  • “干”和”濕”層壓這兩個詞可以區分。 在層壓之前,濕法層壓用溶劑潤濕接觸表面。 這有利於低溫和低壓層壓。

工藝參數及要求:

  • 層的進料速度
  • 軋輥速度
  • 壓力
  • 可選加熱層

質量特點:

  • 層間附著力
  • 所需的複合材料厚度
  • 複合材料的幾何形狀

技術替代方案:

  • 壓制和隨後的燒結

電極及電解液生產工藝B

  • 物理氣相沉積(PVD)工藝,其中單個層一個接一個地添加,是程式鏈B的關鍵特徵,如下所示。
  • 目前的這一工藝顯示了薄膜電池的製造步驟,特別適用於基於氧化物的全固態電池

材料製備(研磨和混合):

  • 製造方法
  • 球磨機用於將陰極粉末與電解質粉末分離。
  • 將原材料放入外圓磨筒中用於此任務。 滾珠在此研磨滾筒中用作研磨介質。
  • 氣缸的旋轉運動結合了起始材料。 此外,旋轉運動可確保研磨介質和起始材料在研磨時相對移動。
  • 之後,對粉末進行煆燒以達到所需的粉末性能。

工藝要求及參數:

  • 球體材料
  • 速度
  • 研磨時間
  • 氣缸材料
  • 起始材料數量

質量特點:

  • 平均粉末粒徑
  • 粉末的均勻性(混合程度)

技術替代方案:

  • 溶膠-凝膠工藝

層複合生產(高頻濺射):

製造工藝:

  • 高頻濺射用於從陰極和電解質粉末中產生陰極和電解質層。 濺射工藝的目標是首先使用模具或熱壓系統由粉末製成。
  • 本收集器還充當工藝的基板。 陰極層在第一階段沉積。 然後將電解質層放置在陰極層的頂部。
  • 離子瞄準濺射操作的目標。 在此步驟中,原子從目標中敲除,然後到達氣相並推進到基底。 因此,該層在基板表面上逐個原子地發育。
  • 真空室用於高頻濺射。

工藝要求及參數:

  • 溫度
  • 沉積時間
  • 過程壓力
  • 環境氣氛
  • 過程功率/功率密度
  • 目標直徑和目標距離

質量特點:

  • 集流體的層厚度
  • 陰極和電解質的層厚度

技術替代方案:

  • 化學氣相沉積

層複合沉積(燒結)

製造工藝:

  • 陰極和電解質層在燒結過程中被壓縮。 通過增強兩層之間的粘合,可以降低介面電解質 – 電極處的電阻。
  • 燒結爐用於燒結陰極電解質化合物。 該物質被加熱到略低於其熔點。
  • 可根據所選工藝參數修改所得材料的孔隙率。
  • 為了避免與環境發生反應,燒結過程發生在惰性氣氛或真空中。
  • 燒結對於氧化物基固體電解質實現足夠低的介面公差尤其重要。

層複合生產(熱蒸發):

生產工藝:

  • 陽極可以使用熱蒸發應用於陰極 – 電解質化合物。 陽極含量由金屬鋰製成。
  • 熱蒸發需要將金屬鋰加熱到沸點以上的溫度,例如用電子束蒸發器,使其可以達到氣相。 在真空室中,蒸汽均勻擴散。
  • 冷凝在電解質的較低溫度表面上形成塗層。
  • 熱蒸發發生在真空室中,與濺射相當。

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