固态电池极片制造工艺
最近两年，固态电池方面的文献数量快速增加，产业界也不断涌现关于固态电池或者半固态电池的重大进展，各个电池厂家纷纷表明正在大力研发固态电池，并且公布了量产时间表。甚至，半固态电池已实现装车，能量密度达350-400Wh/kg，续航突破1000公里，成为高端车型首选。虽然科研人员在新材料的发现方面取得了重大进展，但是要将这些材料集成到真正的固态电池器件中却带来了许多的挑战。目前，固态电池的规模化制造是行业发展的瓶颈之一。尽管固态电池在材料与界面等方面仍存在诸多尚未彻底攻克的难题，但先进的电池制造加工技术有望攻克这些难关，甚至为固态电池开拓全新发展路径，加速现有材料的研发进程。例如，采用干法电极技术，粘结剂纤维缠绕固体颗粒，更有利于固态电解质覆盖在活性颗粒表面，能够在正极与固体电解质之间构建起良好的界面接触。当下，固态电池的极片制造工艺主要包括：（1）采用传统的湿法工艺或者半干法工艺制造固态电解质和固态电池正极极片。电极片和现有的液态电池制备方式类似，兼容现有产线；固态电解质采用湿法浆料-涂布工艺，在电极上涂覆电解质膜，然后再和锂金属复合，采用层压工艺制备固态电池。图1 基于传统湿法的固态电池制造工艺（2）采用干法工艺制造固态电解质和固态电池正极极片。与制浆涂布工艺相比，在没有溶剂情况下的干法制造可以避免电极干燥开裂的厚度限制。干法电极工艺中粘合、活性物质和导电添加剂一起干混，可以规避粘合剂干燥过程中的分层与偏析等分布不均匀问题，纤维化的粘结剂形态使低粘结剂含量就能提供良好的机械稳定性，粘结剂不会包覆颗粒，能降低界面电阻；保证固态电解质的工艺适应性，采用厚度增加的电极可以显著提高能量密度。同时干法工艺避免了溶剂干燥，降低了制造成本。干/湿法工艺在液/固态电池中的应用如表1所示，干法工艺特别适合与硫化物电解质，具有电解质和电极优化，环保低成本等优点。表1 干/湿法工艺在液/固态电池中的应用 总之，干法工艺成为电池行业的热点技术，特别是固态电池领域。2025年5月份的CIBF展会上，许多设备厂家展示了众多的干法工艺、设备和成套技术。这里，详细介绍深圳市曼恩斯特科技股份有限公司的固态电池极片制造解决方案。曼恩斯特干法工艺制备流程如图2所示，粉体称重上料后，第一步采用VC高效混合机对粉体进行低温中速混合，干法粘结剂PTFE在19℃发生相变，分子稍微解开，三斜晶体相转变为六方晶体相，六方晶体相邻链间的内聚力低，沿链轴（六边形系统的c轴）滑动更容易。当对PTFE晶体施加剪切载荷时，沿c轴发生晶体滑移，PTFE晶体的形状会发生变化，能够形成高长径比的纳米纤维结构。因此，工艺过程中，首先控制温度低于19℃，中等速度使粉体均匀混合，避免PTFE纤维化后无法混合均匀。然后，第二步采用中温高速预纤维化。曼恩斯特开发的VC高效混合机通过轴心处的叶片将物料向上翻腾，物料经过飞刀组件后被充分的混合和分散。分散后的物料在重力作用下回落到腔体底部，同时物料在回落过程中经高速桨叶进行二次混合和分散，最终物料经多次混合过程达到客户所需混合产品，同时在线管控混料温度保证混料、预纤维化效果。图2 干法工艺制备流程图混料和预纤维化后，曼恩斯特采用干法双螺杆纤维化机继续对混合物料进行纤维化处理，他们自研了双螺杆纤维化设备，采用全陶瓷元件，由于陶瓷本身的耐磨性和化学稳定性，设备磨耗小、寿命长，增加使用寿命的同时避免了金属异物对电池性能影响。双螺杆设备具有高效的混合、均化和剪切分散能力，纤维化效果好，设备详细参数和优点如图3所示。同时，他们也开发了气流粉碎机和强力混合机纤维化设备，不同的应用场景可能使用不同的设备，比如气流粉碎机更多在小试线和中试线使用。图3 干法双螺杆纤维化机示意图和优势纤维化的物料进一步造粒，保证混合粉体的流动性，使成膜时能够均匀上料，形成均一的自支撑膜。喂料模块采用钢带预成膜设备，可以对多辊压延设备提供持续、定量、稳定的喂料，避免因喂料不均、不连续造成残缺、孔洞、裂纹。采用 14 辊双面同时成膜工艺，相较于传统的单面成膜或较少辊数的工艺，这种工艺能够实现双面同时均匀成膜，成膜质量更高，实现一定厚度的预成膜，为后续进一步压延减薄工序做准备，尽最大可能提升膜片面密度与厚度的一致性。整体的干法多辊双面成膜复合系统如图4所示，对于成膜压延设备，小试线中试线可以选用单面成膜复合设备，中试线和量产线可以选用双面成膜复合设备。双面成膜复合一体机一体化设计使得复合过程更加紧凑、高效，提高了生产效率，精确的张力测量和调节机构确保了复合过程中的张力稳定，避免了膜片变形或起皱的问题，自动收卷机构能够准确地将复合好的膜片卷成合适大小的极片膜卷，降低了操作难度和人工误差。多辊压延成膜复合设备，在干法极片工艺中优势显著，无论正极负极，其成膜效果好，成膜厚极片的性能参数优于传统湿法极片工艺，具体参数如图4所示。 图4 干法钢带预成膜设备曼恩斯特一直全力投入研究固态电池极片制造工艺，为客户提供从粉体到极片的整体装备解决方案。技术可以覆盖干法和湿法两种路线，满足客户从液态电池到半固态电池以及全固态电池的各阶段的小试、中试的各种需求。公司也搭建了相关的实验室，可以完整的实现湿法和干法工艺从粉料到极片的测试。 更多产品可关注曼恩斯特官方公 众号了解。虽然，各个企业宣传的固态电池量产时间表集中在2026-2030年，但是全固态电池还存在不少问题。其突破需兼顾基础科学探索与工程技术攻关，通过材料、产品设计、工艺和设备等各方协同创新、上下游共同努力，逐步实现高能量密度、高安全性与长循环寿命的固态电池产业化目标。来源：锂想生活
