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固态电池设备专题深度系列—等静压设备!

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锂电那些事今日头条2025年09月27日 星期六



等静压设备应用领域广泛,冷/温/热等均有特定适用行业。等静压技术最初主要应用于金属与陶瓷领域,凭借其致密化与组织均匀化优势,逐渐广泛用于改善金属组织、近净成形、高性能陶瓷致密化、缺陷修复等领域;历经七十年验证,该技术早已成熟应用于航空航天、医疗、汽车、电子等多种工业场景。按成型与固结温度不同,等静压技术分为冷、温、热等三类:“冷—温—热等静压依次对应工作温度递增、所需压力递减,成品致密化程度与生产成本递增,而生产效率递减。其中温等静压在致密化性能、生产效率与成本之间实现平衡。

等静压工艺利用流体介质的不可压缩性与压力均匀传递特性,向被压材料均匀输送压力使其致密化。等静压将粉体材料、零部件或电芯装入高压容器,通过压力泵/压缩机注入气体、水或油等介质并加热,使腔体内各方向承受一致压力,从而使粉末或待压实的烧结坯料(或零件)致密化、形成高密度成型体。等静压工艺主要流程为包套密封、升温、抽真空、加压、保压、降压、降温等。工艺上,材料先包套密封,装入升温完成的设备后经抽真空,随后注入流体介质并加压,确保压力均匀传递并压实内部粉体。完成保压后依次卸压、取出,最终获得高致密度成型体,适用于电池与陶瓷等精密制造场景。设备在使用前和使用后需要经过升温和降温的流程,但在连续生产过程中无需每轮重新升降温。

冷等静压在常温下以水或油为介质,施加 100–630 MPa 的高压,使被压材料通过颗粒重排和塑性变形实现致密化,但密度通常仅为 85–92%。其设备简单、成本低、生产成形周期仅需数分钟,因此量产效率最高,常用于大规模粉体预制。

温等静压在 50–500℃ 和50-500MPa下进行,介质为热油或气体。温度的引入促进被压材料发生热塑性变形和扩散,使致密度提高到 90–95%。尽管周期延长至小时级、成本上升,但在性能与效率之间实现平衡,适合中等规模生产。

热等静压在 800–2200℃ 的惰性气体中进行,压力一般为 100–200 MPa。高温促使粉末烧结和蠕变扩散,制品接近理论最高密度(>99.8%)。因设备昂贵、生产周期长、效率最低,主要用于航空航天等对性能要求极高的关键部件。

固态电池中道新增等静压工艺,主要用于叠片后的致密化环节。等静压工艺应用于电芯成型后,通过均匀多向压力实现致密化,消除固固界面空隙,提升电解质与电极接触质量,改善离子传导率和循环性能。这一工艺有效解决界面贴合难题,是实现电池高能量密度和高稳定性的核心环节。

固-固界面致密化是全固态电池性能提升&量产的核心瓶颈。在生产过程中,正极、固态电解质与负极需堆叠形成稳定界面,但在循环过程中,固-固界面易出现接触劣化、孔隙残留与颗粒接触不足等问题,造成致密度下降,进而引发锂枝晶生成、抬高内阻、削弱离子传输效率,并加速性能衰减。为改善致密度,通常需施加超过 100MPa 高压压实材料。传统热压与辊压因压力方向单一且分布不均,易产生边缘效应和层间滑移,难以实现三维致密化与一致性,从而限制性能提升。

等静压技术用于改善全固态电池固固界面接触问题,拉动等静压机成为核心增量设备之一。等静压技术基于帕斯卡原理,能够提高界面致密度、消除内部空隙,改善组件接触效果,从而有效降低内阻、减少孔隙率、延长循环寿命并提升库仑效率。经过等静压处理,离子电导率可提升 30% 以上,内部电阻率降低 20% 以上,循环寿命提升约 40%。这一显著优势正推动等静压机成为固态电池生产的核心增量设备。

温等静压压力与温度区间契合固态电池致密化要求,是当前最优工艺路径。温等静压在中温条件下压制,可提升界面接触和致密度,又避免高温副反应。其温度区间与固态电解质稳定性契合,能在保持性能的同时改善界面质量。同时设备能耗和成本相对较低,具备产业化潜力,正成为电池厂商与设备商重点推进的工艺。

冷等静压致密化程度有限,热等静压温度过高导致副作用突出。

1)冷等静压:CIP工艺由于没有热作用,材料间的界面接触改善有限,难以直接实现高致密度,因此在固态电池电极和电解质成型中更多作为前处理手段。根据 ACS Energy Letters 报道的实验结果,相比辊压约12%的电芯孔隙率,冷等静压可降低至约1.8%,而温等静压在材料高温软化的作用下,颗粒更易重排与压实,可将孔隙率进一步降低至约0.15%。

2)热等静压:HIP在高温高压下能显著消除孔隙、提升密度和强度,常用于陶瓷和合金。但在固态电池中,温度过高会导致电极材料烧结、溶解,破坏整体结构稳定性。

等静压设备难点在于腔体设计、温度压力控制、安全性。

等静压设备工艺验证显示,其核心挑战集中在腔体设计、温/压控制系统及安全性保障,对结构、材料和精度提出极高要求:

1)腔体设计要求高:需承受高温高压循环,通常采用高强度钢并辅以“钢丝预应力缠绕”结构,以确保整体强度与安全;同时需要优化流场设计,保证加热或传热介质在腔体内分布均匀,压力传导稳定。

2)温度与压力控制精度严苛:系统通常要求±2%压力精度和±5°C 温度稳定性,对密封件、保温与隔热设计均提出极高要求。

3)快速升温加压能力:加热元件多采用石墨或钼合金,具备优异耐热与热冲击性能,实现快速升温;加压系统依赖高性能压缩与传质设计,保证高效加压路径。

4)安全性要求严苛:高温高压工况存在潜在爆炸与泄漏风险,设备必须符合压力容器安全标准,并配备泄压阀、防爆设计、冗余冷却与电气保护系统,以确保异常情况下仍能稳定运行。

温等静压在固态电池制造中节拍较长,关键耗时集中在加压和保压泄压环节。 在固态电池生产过程中,温等静压工序包括包套密封、装入已完成升温的等静压机、抽真空、加压、保压泄压、以及取出模具等环节,其中加压(2–12 分钟)和保压泄压(1–30 分钟)占据了每轮流程主要时间,整体工序周期较长,是产线节拍的关键限制因素。升温(54-70分钟)和降温时间较长,但在连续生产过程中无需每轮重新升降温,对生产节拍的影响次于加压-泄压环节。

解决方案一:前处理工艺优化降低温度与压力要求。在等静压前,通过材料配方或预处理工序使加工件更柔软、更致密,可在较低温度和压力下完成致密化。根据我们草根调研,国内头部固态电池玩家计划将目标温度由 200 ℃降至120℃,可将升温时由45–70 分钟间缩短至约 20 分钟,同时减少降温与保压时间,从而显著压缩单轮加工节拍。

解决方案二:增大等静压机的压力容器容积是当前提升等静压生产效率、降低单位加工成本的最直接路径。

从产能端看,腔体容积增大可显著提升装载效率(即腔体内空间利用效率)。Quintus的实验结果表明,随着压力容器直径增大,装载效率由不足 20% 提升至超过 60%,有效减少腔体内部的“死区”并降低装夹频次,从而提升单轮装载的加工件总量。在年化产量上,结果显示单台压机的处理能力可随容积成线性增长,最大年产能可突破 20 GWh,当前Quintus的QIB设备能够做到年产能22.6GWh。

从成本端看,容积扩大带来的装载效率提升与人工利用率改善共同作用,使单位能量的加工成本呈显著下降趋势。Quintus调研结果表明,尺寸最大的压机每千瓦时成本仅为 0.04 至 0.10 欧元,而尺寸最小的压机每千瓦时成本则 >0.50 欧元。当容积从约 100 升扩大至 2,000 升时,每千瓦时加工成本可下降 10 倍以上,规模化经济效益十分显著。

解决方案三:采用治具预装,高效利用腔体时间与空间,全方位保护电池片

高效利用腔体时间:采用适配腔体尺寸的治具提前装载电池片,单次等静压后治具可无缝对接进入腔体,无需额外等待,最大化减少腔体闲置时间,显著提升生产效率。

合理利用腔体空间:治具设计精准契合腔体布局,充分利用每一寸空间,实现电池片的紧密排列,进一步提高单次等静压产能。

全方位保护电池片电池片封装后装入刚性夹具,再统一封装于治具内。刚性夹具具备卓越的支撑性能,确保电池片在烧结过程中平整、不翘起、不弯曲,有效降低电池片受损风险,保障等静压环节良率。

当前主流等静压设备采用立式腔体结构,难以融入自动化产线,进而限制了产能爬坡。当前现有主流等静压机多采用立式腔体设计,上下料需依赖行车;一方面难以与自动化产线集成,生产效率显著低于传统锂电的高度自动化生产模式;另一方面对厂房高度要求高,推高了车间改造成本,进一步限制了大规模产能爬坡。

©文章来源于东吴证券

           
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首次发布时间:2025-10-19
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