利元亨杜義賢：公司能夠同時(shí)滿足半固/全固態(tài)電池設(shè)備需求
作為全球領(lǐng)先的鋰電裝備企業(yè)，利元亨能夠滿足氧化物、聚合物半固態(tài)電池批量生產(chǎn)的設(shè)備需求，同時(shí)也能滿足硫化物、鹵化物全固態(tài)電池整線生產(chǎn)設(shè)備需求。公司的半固態(tài)電池設(shè)備已經(jīng)批量出貨，全固態(tài)電池設(shè)備也整線中標(biāo)，得到了客戶的認(rèn)可。
圖為廣東利元亨智能裝備股份有限公司研究院院長杜義賢演講
在日前舉行的第九屆動力電池應(yīng)用國際峰會(CBIS2024)“先進(jìn)電池技術(shù)及應(yīng)用”主題論壇上，廣東利元亨智能裝備股份有限公司研究院院長杜義賢應(yīng)邀出席，并作主題為《固態(tài)電池工藝解析及整線裝備》的演講。
“液態(tài)鋰電池與半固、全固態(tài)電池的核心區(qū)別在于，有沒有隔膜和電解液。”杜義賢談道，固液混合半固態(tài)電池仍然保留隔膜，在隔膜涂覆固態(tài)電解質(zhì)層，正極摻混固態(tài)電解質(zhì)，電解液用量降低;凝膠半固態(tài)電池也保留隔膜，增加原位固化工藝，即將電解液凝膠化，降低液相組分。
而全固態(tài)電池則完全沒有隔膜，用固態(tài)電解質(zhì)膜代替隔膜，且正負(fù)極摻混固態(tài)電解質(zhì)，需要用大拘束壓力改善固固界面。這對制造設(shè)備提出了很高的要求。
01
固態(tài)電池核心設(shè)備
“從工藝上來說，全固態(tài)電池極片制造既可以采用干法，也可以采用濕法。”杜義賢指出，將固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合到負(fù)極進(jìn)行制片，再與正極進(jìn)行無隔膜疊片，由于極片與電解質(zhì)的固固接觸存在孔隙導(dǎo)致離子導(dǎo)電率不高，需要采用大壓力致密化，提升接觸性能降低界面電阻。
目前，利元亨重點(diǎn)布局的固態(tài)電池設(shè)備，有電極干法涂布設(shè)備、輥壓熱復(fù)合雙軋一體機(jī)、極片膠框印刷&疊片一體機(jī)，以及高壓化成分容設(shè)備。“特別是對于硫化物電池來說，對生產(chǎn)車間的環(huán)境要求更高，不僅要更嚴(yán)格的低露點(diǎn)管控，設(shè)備還要增加防毒和防爆設(shè)計(jì)。”杜義賢強(qiáng)調(diào)。
干法電極設(shè)備：干電極的制造步驟可分為干混(混合+纖維化+造粒)、電極膜制造(成膜+減薄)、壓制電極(電極膜與集流體復(fù)合);相比較濕法電極工藝，可減少11.5%的原材料溶劑成本，以及減少46%以上能源消耗，具備高經(jīng)濟(jì)性。
多輥壓延和干式靜電噴涂，是目前比較流行的兩種干電極制造方案。據(jù)介紹，利元亨第三代干法電極設(shè)備采用高通量多輥壓延方法，用大小輥配置實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的公差控制，并將材料減薄至極小厚度;同時(shí)配合定量進(jìn)料設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)所有不同化學(xué)體系固態(tài)電池的干法電極。
輥壓熱復(fù)合雙軋一體機(jī)：該設(shè)備具備正負(fù)極輥壓、電解質(zhì)熱壓復(fù)合功能;將固態(tài)電解質(zhì)壓制轉(zhuǎn)移到電極材料上，通過使用紅外預(yù)熱，固態(tài)電解質(zhì)可以順利地從PET基材上剝離下來。“目前行業(yè)也有兩種方案，一個(gè)是先把電解質(zhì)進(jìn)行壓制，然后再轉(zhuǎn)移到極片上去;另外是將電解質(zhì)直接涂布到極片上。”杜義賢介紹道。
因?yàn)楝F(xiàn)在的固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初期，所以利元亨第二代輥壓熱復(fù)合雙軋一體機(jī)采用電解質(zhì)壓制轉(zhuǎn)印技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)制造質(zhì)量的分段控制;同時(shí)將極片輥壓和電解質(zhì)熱復(fù)合功能集成一款機(jī)型，減少占地面積。
極片膠框印刷&疊片一體機(jī)：固態(tài)電池取消隔膜之后，且要求大壓力化成，因此電池極片邊緣變形，容易導(dǎo)致內(nèi)短路問題。在制造過程中，需要絕緣框印在正極和負(fù)極之間。絕緣框的制造工藝比較多，現(xiàn)在流行四種方案，一是印刷，二是UV打印，三是涂膠，四是點(diǎn)膠。
利元亨第二代極片膠框印刷&疊片一體機(jī)，采用較高通量的印刷技術(shù)，集膠框打印和電極疊片功能于一體，不僅能減少占地面積，還能夠兼容無隔膜層疊、無隔膜層疊外包隔膜兩種疊片工藝。
高壓化成分容設(shè)備：該設(shè)備主要是經(jīng)過初始充放電過程，激活電極材料并穩(wěn)定電池性能。常規(guī)電池化成壓力要求3噸-10噸， 固態(tài)電池壓力要達(dá)到10兆帕，折合壓力達(dá)到60噸-80噸。
為了解決高壓的需求，利元亨第三代化成設(shè)備采用臥式層推結(jié)構(gòu)，在平板平面度、溫度精度、壓力控制、設(shè)定分辨率都有很好的表現(xiàn)。針對固態(tài)電池生產(chǎn)增加的安全防護(hù)設(shè)計(jì)，共計(jì)150項(xiàng)保護(hù)功能。
02
硫化物固態(tài)電池防毒防爆
硫化物固態(tài)電池含有有害物成分鋰磷硫氯，暴露在環(huán)境中遇到水分子，易產(chǎn)生有毒氣體硫化氫，會對人體產(chǎn)生傷害。
杜義賢介紹，針對硫化物固態(tài)電池產(chǎn)線的防毒防爆問題，利元亨提出了三個(gè)安全準(zhǔn)則：一、提高工藝流程密閉化水平，是減少源泄漏和保證本質(zhì)安全的關(guān)鍵;二、適當(dāng)提高設(shè)備小環(huán)境密閉性、物料轉(zhuǎn)移密閉性、管道機(jī)械密封等級，是減少逸散泄漏的重點(diǎn);三、設(shè)置有毒氣體檢測安全儀表系統(tǒng)，是生產(chǎn)安全運(yùn)行和人身安全健康基本保障和重要措施。
基于上述三個(gè)準(zhǔn)則，利元亨在防毒防爆方面設(shè)計(jì)了三步法。第一步，對設(shè)備防爆分區(qū)進(jìn)行評估。根據(jù)硫化氫產(chǎn)生的量，對設(shè)備進(jìn)行分區(qū)。第二步，工藝流程密閉化設(shè)計(jì)，對設(shè)備的密封以及排風(fēng)管道的布置都是有非常嚴(yán)格的要求。第三步，極電軟控功能性安全設(shè)計(jì)。
03
推進(jìn)固態(tài)電池量產(chǎn)進(jìn)程
雖然行業(yè)對固態(tài)電池寄予厚望，不過杜義賢也指出，從整個(gè)行業(yè)來講，全固態(tài)電池量產(chǎn)仍有兩個(gè)工藝難點(diǎn)沒有攻克。
首先，干法正極連續(xù)生產(chǎn)面臨挑戰(zhàn)。干混技術(shù)和粉末定量進(jìn)料技術(shù)存在難題，降低了制造速度以及電極材料均勻分布。“現(xiàn)在工藝存在的問題成膜型差，很難形成一個(gè)很好成型的膜，更談不上怎么卷起來運(yùn)到下一個(gè)工藝區(qū)。電極材料的均勻性存在很大的問題。”杜義賢說道。
第二個(gè)難題就是等靜壓工藝。為了固固界面很好地結(jié)合，需要加大壓力，但大壓力對電池材料是一種極大的破壞。高達(dá)500Mpa等靜壓，會對電芯造成外觀破損和內(nèi)短路問題。另外，大壓力對設(shè)備的安全性防護(hù)要求更高。
杜義賢表示，利元亨期待與行業(yè)伙伴及客戶通力合作，共同推進(jìn)固態(tài)電池量產(chǎn)化進(jìn)程!
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